Полевые транзисторы

В дальнейшем были разработаны  структуры запоминающих полевых  транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего  состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы  сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.^[1]

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые  транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2][3]

За рубежом в последние  десятилетия стремительно развивается  технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ.)). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера.^[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

Схемы включения полевых  транзисторов

Полевой транзистор можно  включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим  стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом с общим затвором

На практике чаще всего  применяется схема с ОИ, аналогичная  схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Области применения полевых  транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые  транзисторы управляются полем (величиной  напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через  базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что  особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также  в схемах малого потребления и  энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Стремительно развиваются  области применения мощных полевых  транзисторов. Их применение в радиопередающих  устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень  помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике мощные полевые транзисторы успешно  заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В преобразователях частоты они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры вустройствах плавного пуска. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник  для вузов. 5-е изд., исправленное. – СПб.: Издательство «Лань», 2001. – 480 с., ил. – (Учебник для вузов. Специальная литература).

ISBN 5-8114-0368-2

Радиоматериалы, радиокомпоненты  и электроника: Учебное пособие / К.С. Петров. – СПб.: Питер, 2003. – 512 с.: ил.

ISBN 5-94723-378-9

Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. Пособие. 3-е изд., перераб. и доп. – Ростов н/Д: изд-во “Феникс”, 2002. – 576 с.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство.

 Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., “Энергия”, 1977.

Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств / Под ред. А.А. Ровдо. – М.: Издательский дом “Додэка – ХХ1”, 2001. – 368 с.

ISBN 5-94120-049-8