Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из канала (полупроводник) )
Перейти к навигации Перейти к поиску
"FET" перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см FET (значения) .

Поперечный разрез полевого транзистора, показывающий выводы истока , затвора и стока.

Полевой транзистор ( полевой транзистор ) представляет собой тип транзистора , который использует электрическое поле , чтобы контролировать поток тока . Полевые транзисторы - это устройства с тремя выводами: исток , затвор и сток . Полевые транзисторы управляют протеканием тока путем приложения напряжения к затвору, которое, в свою очередь, изменяет проводимость между стоком и истоком.

Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, поскольку они работают с одной несущей. То есть полевые транзисторы используют в качестве носителей заряда либо электроны, либо дырки , но не то и другое вместе. Существует много различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно демонстрируют очень высокое входное сопротивление на низких частотах. Наиболее широко используемым полевым транзистором является MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

История [ править ]

Дополнительная информация: История транзистора.
Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году [1] и Оскаром Хейлом в 1934 году, но им не удалось создать работающее практическое полупроводниковое устройство на основе этой концепции. Эффект транзистора был позже обнаружен и объяснен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия патента. Первоначально Шокли пытался создать рабочий полевой транзистор, пытаясь модулировать проводимость полупроводника., но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и материалами соединений германия и меди . В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности создать работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Браттейн вместо этого изобрели в 1947 году точечный транзистор , за которым в 1948 году последовал биполярный транзистор Шокли . [2] [ 3]

Первым успешно построенным полевым транзистором стал переходный полевой транзистор (JFET). [2] JFET был впервые запатентован Heinrich Велькером в 1945 году [4] The статического индукционного транзистора (МСН), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами Дзюнъити Нишизава и Y. Watanabe в 1950 году. После теоретической работы Шокли по JFET в 1952 году Джордж Ф. Дейси и Ян М. Росс построили в 1953 году работающий практический JFET . [5] Однако у JFET все еще были проблемы, влияющие на переходные транзисторы в целом. [6]Переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало их ряд специализированных приложений. Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) теоретически рассматривался как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли создать работающие IGFET-транзисторы, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал. [6] К середине 1950-х исследователи в значительной степени отказались от концепции полевых транзисторов и вместо этого сосредоточились на технологии биполярных переходных транзисторов (BJT). [7]

Основы технологии MOSFET были заложены работами Уильяма Шокли , Джона Бардина и Уолтера Браттейна . Шокли независимо друг от друга представил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но он не смог построить работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу поверхностными состояниями . Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущие работы по поверхностным состояниям были выполнены Шокли в 1939 году и Игорем Таммом в 1932 году) и понял, что внешнее поле блокируется на поверхности из-за дополнительных электронов, которые притягиваются к поверхности полупроводника. Электроны попадают в эти локализованные состояния, образуя инверсионный слой. Гипотеза Бардина ознаменовала рождениефизика поверхности . Затем Бардин решил использовать инверсионный слой вместо очень тонкого слоя полупроводника, который Шокли предполагал в своих конструкциях полевых транзисторов. Основываясь на своей теории, в 1948 году Бардин запатентовал прародителя MOSFET, полевого транзистора с изолированным затвором (IGFET) с инверсионным слоем. Инверсионный слой ограничивает поток неосновных носителей, увеличивая модуляцию и проводимость, хотя его перенос электронов зависит от изолятора затвора или качества оксида, если он используется в качестве изолятора, нанесенного над инверсионным слоем. Патент Бардина, а также концепция инверсионного слоя составляют основу современной КМОП-технологии. В 1976 году Шокли описал гипотезу состояния поверхности Бардина «как одну из наиболее значительных исследовательских идей в программе полупроводников». [8]

После теории состояния поверхности Бардина эта троица попыталась преодолеть влияние поверхностных состояний. В конце 1947 года Роберт Гибни и Браттейн предложили использовать электролит, помещенный между металлом и полупроводником, чтобы преодолеть эффекты поверхностных состояний. Их полевой транзистор работал, но усиление было плохим. Бардин пошел дальше и предложил сосредоточиться на проводимости инверсионного слоя. Дальнейшие эксперименты привели к замене электролита твердым оксидным слоем в надежде получить лучшие результаты. Их цель - проникнуть в оксидный слой и попасть в инверсионный слой. Однако Бардин предложил им перейти с кремния на германий, и при этом их оксид случайно смылся. Они наткнулись на совершенно другой транзистор,точечный транзистор . Лилиан Ходдсон утверждает, что «если бы Браттейн и Бардин работали с кремнием вместо германия, они бы наткнулись на успешный полевой транзистор». [8] [9] [10] [11] [12]

К концу первой половины 1950-х годов после теоретических и экспериментальных работ Бардина, Браттейна, Кингстона, Моррисона и других стало более ясно, что существует два типа поверхностных состояний. Было обнаружено, что быстрые поверхностные состояния связаны с объемом и границей раздела полупроводник / оксид. Было обнаружено, что медленные поверхностные состояния связаны со слоем оксида из-за адсорбции атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Последние оказались гораздо более многочисленными и имеют гораздо более длительные времена релаксации . В то время Фило Фарнсворт и другие разработали различные методы получения атомарно чистых полупроводниковых поверхностей.

В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Деррик случайно покрыли поверхность кремниевой пластины слоем диоксида кремния . Они показали, что оксидный слой предотвращает попадание одних примесей в кремниевую пластину, в то время как допускает другие, таким образом обнаруживая пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. Их дальнейшая работа продемонстрировала, как вытравливать небольшие отверстия в оксидном слое для диффузии примесей в выбранные области кремниевой пластины. В 1957 году они опубликовали исследовательскую работу и запатентовали свою методику, обобщающую их работу. Разработанный ими метод известен как маскирование диффузии оксидов, которое позже будет использоваться при изготовленииустройств MOSFET. В Bell Labs сразу же осознали важность техники Фроша. Результаты их работы распространились по Bell Labs в виде записок BTL до того, как были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли разослал препринт своей статьи в декабре 1956 года всем своим старшим сотрудникам, включая Джин Хорни . [6] [13] [14]

В 1955 году Ян Манро Росс подал патент на FeFET или MFSFET. Его структура была похожа на структуру современного полевого МОП-транзистора с инверсионным каналом, но в качестве диэлектрика / изолятора вместо оксида использовался сегнетоэлектрический материал. Он представлял это как форму памяти за много лет до MOSFET с плавающим затвором . В феврале 1957 года Джон Уоллмарк подал патент на полевой транзистор, в котором моноксид германия использовался в качестве диэлектрика затвора, но он не стал реализовывать эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал полевой транзистор с двойным затвором . В марте 1957 года в своей лабораторной записной книжке Эрнесто Лабате, научный сотрудник Bell Labs, задуманное как устройство, аналогичное предложенному позже MOSFET, хотя в устройстве Лабате явно не использовался диоксид кремния в качестве изолятора. [15] [16] [17] [18]

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) [ править ]

Основная статья: MOSFET
Мохамед Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели МОП-транзистор (полевой МОП-транзистор) в 1959 году.

Прорыв в исследованиях полевых транзисторов произошел с работой египетского инженера Мохамеда Аталлы в конце 1950-х годов. [3] В 1958 году он представил экспериментальную работу, которая показала, что рост тонкого оксида кремния на чистой поверхности кремния приводит к нейтрализации поверхностных состояний. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . [19] [20]

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET) затем изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в 1959 году [21] [22] МОП - транзистора в значительной степени заменены как биполярный транзистор и JFET, [2] и имел глубокое влияние на развитие цифровой электроники . [23] [22] Благодаря своей высокой масштабируемости , [24] и гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом [25], MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности . [26] MOSFET также может работать с более высокой мощностью, чем JFET. [27]МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. [6] Таким образом, полевой МОП-транзистор стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике [20] и коммуникационных технологиях (например, в смартфонах ). [28] Управление по патентам и товарным знакам США называет это «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [28]

CMOS (дополнительная МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для полевых МОП-транзисторов, был разработан Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. [29] [30] Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом. и Саймон Зи в 1967 г. [31] двойного затвора МОП - транзистор был впервые продемонстрирован в 1984 году электротехнической лаборатории исследователей Тосихиро Sekigawa и Yutaka Hayashi. [32] [33] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского многопозиционного затвора.MOSFET, возник в результате исследования Дай Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [34] [35]

Основная информация [ править ]

См. Также: Перевозчик заряда § Мажоритарные и неосновные перевозчики

Полевые транзисторы могут быть устройствами с основными носителями заряда, в которых ток переносится преимущественно по основным носителям, или устройствами с неосновными носителями заряда, в которых ток в основном возникает из-за потока неосновных носителей. [36] Устройство состоит из активного канала, по которому носители заряда, электроны или дырки , текут от истока к стоку. Провода истока и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты . Проводимость канала является функцией потенциала, приложенного к клеммам затвора и истока.

Три клеммы полевого транзистора: [37]

  1. источник (S), через который носители попадают в канал. Обычно, ток , поступающий в канал S обозначается I S .
  2. сток (D), через который носители покидают канал. Обычно, ток , поступающий в канал D обозначается I D . Напряжение сток-исток составляет V DS .
  3. затвор (G), терминал, который модулирует проводимость канала. При подаче напряжения на G, можно контролировать I D .

Подробнее о терминалах [ править ]

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

Все полевые транзисторы имеют источник , сливные и воротных терминалы , которые примерно соответствуют эмиттера , коллектора и базы по BJTs . Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый корпусом , основанием , массивом или подложкой . Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; это редко , чтобы сделать нетривиальное использование терминала тела в схемных, но его присутствие очень важно при настройке физического расположения в качестве интегральной схемы . Размер ворот, длинаL на диаграмме - это расстояние между истоком и стоком. Ширина является продолжением транзистора, в направлении , перпендикулярном к поперечному сечению на диаграмме (т.е., в / из экрана). Обычно ширина намного больше длины ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц.

Названия терминалов относятся к их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор позволяет электронам проходить через или блокирует их прохождение, создавая или устраняя канал между истоком и стоком. На поток электронов от вывода истока к выводу стока влияет приложенное напряжение. Под телом понимается основная часть полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно вывод на корпусе подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа полевого транзистора. Вывод на корпусе и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник часто подключается к наивысшему или наименьшему напряжению в цепи, хотя есть несколько вариантов использования полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации,такой какпередаточные вентили и каскодные схемы.

Влияние напряжения затвора на ток [ править ]

ВАХ и выходной график n-канального JFET-транзистора.
Результат моделирования для правой стороны: формирование канала инверсии (электронная плотность) и левой стороны: кривая напряжения на затворе (передаточные характеристики) в n-канальном полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой . Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.
Типы условных обозначений на полевых транзисторах

Полевой транзистор управляет потоком электронов (или электронных дырок ) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого и находящегося под влиянием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к затвору и истоку. (Для простоты в этом обсуждении предполагается, что корпус и исток соединены.) Этот проводящий канал является «потоком», через который электроны текут от истока к стоку.

n-канальный полевой транзистор [ править ]

В n-канальном устройстве «режима обеднения» отрицательное напряжение затвор-исток заставляет область обеднения расширяться по ширине и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если активная область расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока к стоку становится большим, и полевой транзистор эффективно выключается, как переключатель (см. Правый рисунок, когда есть очень маленький ток). Это называется «отсечкой», а напряжение, при котором это происходит, называется «отсечным напряжением». И наоборот, положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь (см. Правый рисунок, когда есть канал проводимости и ток большой).

В n-канальном устройстве с «улучшенным режимом» токопроводящий канал не существует естественным образом внутри транзистора, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточно электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область без мобильных носителей, называемую областью истощения , а напряжение, при котором это происходит, называется пороговым напряжением полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые могут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией .

р-канальный полевой транзистор [ править ]

В устройстве «обедненного режима» с p-каналом положительное напряжение от затвора к телу расширяет обедненный слой, вынуждая электроны к границе затвор-изолятор / полупроводник, оставляя открытой свободную от носителей область неподвижных положительно заряженных акцепторных ионов.

И наоборот, в устройстве «улучшенного режима» с p-каналом проводящая область не существует, и для создания проводящего канала необходимо использовать отрицательное напряжение.

Влияние напряжения сток-исток на канал [ править ]

Для устройств с расширенным или обедненным режимом при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора изменит сопротивление канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно истока). Напряжение). В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном или омическом режиме. [38] [39]

Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение формы канала из-за градиента потенциала напряжения от истока к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» около дренажного конца канала. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку. Считается, что полевой транзистор находится в режиме насыщения ; [40], хотя некоторые авторы называют его активным режимом для лучшей аналогии с рабочими областями биполярных транзисторов. [41] [42]Режим насыщения или область между омическим сопротивлением и насыщением используется, когда необходимо усиление. Промежуточная область иногда считается частью омической или линейной области, даже если ток стока не является приблизительно линейным с напряжением стока.

Несмотря на то, что проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, поток носителей не блокируется. Рассматривая снова n-канальное устройство с улучшенным режимом, в корпусе p-типа существует обедненная область , окружающая проводящий канал, а также области стока и истока. Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область обеднения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток. Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию.. Любое увеличение напряжения сток-исток увеличит расстояние от стока до точки отсечки, увеличивая сопротивление области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение приводит к тому, что ток сток-исток остается относительно постоянным, независимо от изменений напряжения сток-исток, в отличие от его омического поведения в линейном режиме работы. Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор ведет себя как источник постоянного тока, а не как резистор, и может эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Состав [ править ]

Полевые транзисторы могут быть построены из различных полупроводников - кремний является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.

Среди наиболее необычных материалов корпуса - аморфный кремний , поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органические полевые транзисторы (OFET), которые основаны на органических полупроводниках ; Часто изоляторы и электроды затворов OFET также изготавливаются из органических материалов. Такие полевые транзисторы изготавливаются с использованием различных материалов, таких как карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и арсенид индия-галлия (InGaAs).

В июне 2011 года IBM объявила об успешном использовании полевых транзисторов на основе графена в интегральной схеме . [43] [44] Эти транзисторы имеют частоту среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов. [45]

Типы [ править ]

Полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях: JFET, поликремниевый МОП-транзистор, МОП-транзистор с двойным затвором, МОП-транзистор с металлическим затвором, MESFET-транзистор.
  Истощение
  Электроны
  Отверстия
  Металл
  Изолятор
Вверху: источник, внизу: сток, слева: ворота, справа: объем. Напряжения, которые приводят к образованию каналов, не показаны.

Канал полевого транзистора легирован для получения полупроводника n-типа или полупроводника p-типа. Сток и исток могут быть легированы противоположным типом по отношению к каналу, в случае полевых транзисторов режима улучшения, или легированы легированием аналогичного типа по отношению к каналу, как в полевых транзисторах режима обеднения. Полевые транзисторы также различаются по способу изоляции между каналом и затвором. Типы полевых транзисторов включают:

  • МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор) использует изолятор (обычно SiO 2 ) между затвором и корпусом. Это, безусловно, самый распространенный тип полевых транзисторов.
    • DGMOSFET ( МОП- транзистор с двумя затворами) или DGMOS, полевой МОП-транзистор с двумя изолированными затворами.
    • IGBT ( биполярный транзистор с изолированным затвором ) - это устройство для управления мощностью. Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, соединенный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
    • MNOS ( транзистор металл-нитрид-оксид-полупроводник ) использует изолятор из слоя нитрида-оксида между затвором и корпусом.
    • ИСПТ (ионно-чувствительный полевой транзистор) может быть использован для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H + , см. pH-электрод ) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится.
    • BioFET (Биологически чувствительный полевой транзистор) представляет собой класс датчиков / биосенсоров на основе ISFET технологии , которые используются для обнаружения заряженных молекул; когда присутствует заряженная молекула, изменения в электростатическом поле на поверхности BioFET приводят к измеримому изменению тока через транзистор. К ним относятся модифицированные ферментом полевые транзисторы (EnFET), иммунологически модифицированные полевые транзисторы (ImmunoFET), генно-модифицированные полевые транзисторы (GenFET), ДНК -полевые транзисторы , клеточные BioFET (CPFET), полевые транзисторы жуков / чипов (BeetleFET) и полевые транзисторы на основе ионных каналов / связывание с белками. [46]
    • DNAFET ( полевой транзистор ДНК ) - это специализированный полевой транзистор, который действует как биосенсор , используя вентиль, сделанный из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих цепей ДНК.
  • JFET (узловой полевой транзистор) использует обратное смещение р-п переход , чтобы отделить затвор от тела.
    • Статические индукционный транзистор (СИТА) представляет собой тип JFET с коротким каналом.
  • DEPFET - это полевой транзистор, сформированный на полностью обедненной подложке, который одновременно действует как датчик, усилитель и узел памяти. Его можно использовать как датчик изображения (фотона).
  • FREDFET (полевой транзистор с эпитаксиальным диодом с быстрым реверсом или быстрым восстановлением) - это специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) внутреннего диода, что делает его удобным для управления индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели , особенно средней мощности. бесщеточные двигатели постоянного тока с приводом .
  • HIGFET (гетероструктурный полевой транзистор с изолированным затвором) в настоящее время используется в основном в исследовательских целях. [47]
  • MODFET (полевой транзистор с модуляционным легированием) представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов, использующий структуру с квантовыми ямами, образованную градиентным легированием активной области.
  • TFET ( туннельный полевой транзистор ) основан на межполосном туннелировании. [48]
  • НЕМТ ( транзистор с высокой подвижностью электронов ), также называемый HFET (гетероструктуры FET), может быть получен с использованием запрещенной зоны инженерии в тройном полупроводнике , такие как AlGaAs . Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
  • ПТШ (металл-полупроводник полевой транзистор) заменяет р-п переход от JFET с барьером Шоттки ; и используется в GaAs и других полупроводниковых материалах AIIIBV .
  • NOMFET является наночастицами органической памяти полевой транзистор. [49]
  • GNRFET (полевой транзистор с графеновой нанолентой ) использует в качестве канала графеновую наноленту . [50]
  • VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой полевой транзистор квадратной формы без перехода с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах. Два затвора занимают другие углы и контролируют ток через щель. [51]
  • CNTFET ( полевой транзистор из углеродных нанотрубок ).
  • OFET ( органический полевой транзистор ) использует в своем канале органический полупроводник.
  • QFET ( транзистор с квантовым полевым эффектом ) использует преимущества квантового туннелирования для значительного увеличения скорости работы транзистора за счет исключения традиционной транзисторной области электронной проводимости.
  • SB-FET (полевой транзистор с барьером Шоттки) - это полевой транзистор с металлическими контактными электродами истока и стока, которые создают барьеры Шоттки как на интерфейсах исток-канал, так и сток-канал. [52] [53]
  • GFET - это высокочувствительный полевой транзистор на основе графена, используемый в качестве биосенсоров и химических сенсоров . Благодаря двумерной структуре графена, наряду с его физическими свойствами, GFET-транзисторы предлагают повышенную чувствительность и сокращение случаев «ложных срабатываний» в сенсорных приложениях [54]
  • Fe полевой транзистор использует сегнетоэлектрический между затвором, позволяя транзистор , чтобы сохранить свое состояние в отсутствии смещения - такие устройства могут иметь применение в качестве энергонезависимой памяти .

Преимущества [ править ]

Полевой транзистор имеет высокое сопротивление току затвор-сток, порядка 100 МОм или более, что обеспечивает высокую степень изоляции между управлением и потоком. Поскольку шум базового тока будет увеличиваться со временем формирования, [55] полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный транзистор (BJT), и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители для УКВ и спутниковых приемников. Он относительно невосприимчив к радиации. Он не показывает напряжения смещения при нулевом токе стока и является отличным прерывателем сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. [37]Поскольку они управляются зарядом затвора, после закрытия или открытия затвора не требуется дополнительной мощности, как это было бы с биполярным переходным транзистором или с реле без фиксации в некоторых состояниях. Это позволяет осуществлять переключение с очень низким энергопотреблением, что, в свою очередь, обеспечивает большую миниатюризацию схем, поскольку потребности в рассеивании тепла уменьшаются по сравнению с другими типами переключателей.

Недостатки [ править ]

Полевой транзистор имеет относительно низкое произведение коэффициента усиления и ширины полосы по сравнению с биполярным транзистором. МОП-транзистор очень чувствителен к перегрузкам, поэтому при установке требуется особое обращение. [56] Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатического разряда или изменений порогового напряжения во время работы. Обычно это не проблема после того, как устройство было установлено в правильно спроектированной цепи.

Полевые транзисторы часто имеют очень низкое сопротивление «включено» и высокое сопротивление «выключено». Однако промежуточные сопротивления значительны, и поэтому полевые транзисторы могут рассеивать большое количество энергии при переключении. Таким образом, эффективность может иметь большое значение для быстрого переключения, но это может вызвать переходные процессы, которые могут возбуждать паразитные индуктивности и генерировать значительные напряжения, которые могут возникать на затворе и вызывать непреднамеренное переключение. Поэтому схемы на полевых транзисторах могут потребовать очень тщательной компоновки и могут включать компромисс между скоростью переключения и рассеиваемой мощностью. Также существует компромисс между номинальным напряжением и сопротивлением во включенном состоянии, поэтому высоковольтные полевые транзисторы имеют относительно высокое сопротивление во включенном состоянии и, следовательно, потери проводимости. [ необходима цитата ]

Режимы отказа [ править ]

Полевые транзисторы относительно надежны, особенно при работе в пределах температурных и электрических ограничений, определенных производителем (надлежащее снижение номинальных характеристик ). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут содержать корпусный диод . Если характеристики основного диода не принимаются во внимание, полевой транзистор может работать медленно, когда паразитный транзистор включается и позволяет потреблять высокий ток от стока к истоку, когда полевой транзистор выключен. [57]

Использует [ редактировать ]

Наиболее часто используемый полевой транзистор - это полевой МОП-транзистор . Технологический процесс CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой современных цифровых интегральных схем . В этом технологическом процессе используется схема, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный MOSFET и n-канальный MOSFET соединены последовательно, так что, когда один из них включен, другой выключен.

В полевых транзисторах электроны могут течь через канал в любом направлении при работе в линейном режиме. Соглашение об именах выводов стока и истока несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) построены симметрично от истока до стока. Это делает полевые транзисторы подходящими для переключения аналоговых сигналов между трактами ( мультиплексирование ). Используя эту концепцию, можно, например, сконструировать твердотельный микшерный пульт . Полевой транзистор обычно используется в качестве усилителя. Например, из-за большого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления он эффективен в качестве буфера в конфигурации с общим стоком (истоковый повторитель).

БТИЗ используются для переключения катушек зажигания двигателей внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.

Транзистор с истоковым затвором [ править ]

Транзисторы с истоковым затвором более устойчивы к производственным и экологическим проблемам в электронике большой площади, такой как экраны дисплеев, но работают медленнее, чем полевые транзисторы. [58]

См. Также [ править ]

  • Химический полевой транзистор
  • CMOS
  • Усилитель на полевом транзисторе
  • FinFET
  • FlowFET
  • Многопользовательское устройство

Ссылки [ править ]

  1. ^ Lilienfeld, JE "Способ и устройство для управления электрическим током" Патент США № 1 745 175 (подано 8 октября 1926 г .; выдано 28 января 1930 г.).
  2. ^ a b c Ли, Томас Х. (2003). Проектирование КМОП радиочастотных интегральных схем (PDF) . Издательство Кембриджского университета . ISBN 9781139643771.
  3. ^ a b Пуэр, Роберт; Бальди, Ливио; Вурде, Марсель Ван де; Ноутен, Себастьян Э. ван (2017). Наноэлектроника: материалы, устройства, приложения, 2 т . Джон Вили и сыновья . п. 14. ISBN 9783527340538.
  4. ^ Грундман, Marius (2010). Физика полупроводников . Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-13884-3.
  5. ^ Jun-Ichi Нишизав (1982). «Переходные полевые устройства». Полупроводниковые приборы для регулирования мощности . Springer. С. 241–272. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-7263-9_11 . ISBN 978-1-4684-7265-3. Отсутствует или пусто |title=( справка )
  6. ^ а б в г Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Вили и сыновья . п. 168. ISBN 9780470508923.
  7. ^ «Основа современного цифрового мира: Триумф МОП-транзистора» . Музей истории компьютеров . 13 июля 2010 . Проверено 21 июля 2019 .
  8. ^ a b Говард Р. Дафф (2001). «Джон Бардин и транзисторная физика». Материалы конференции AIP . 550 . С. 3–32. DOI : 10,1063 / 1,1354371 .
  9. ^ Ханс Камензинд (2005). Проектирование аналоговых микросхем .
  10. ^ ULSI Наука и технологии / 1997 . 1997. стр. 43. ISBN 9781566771306.
  11. ^ Лилиан Hoddeson (1994). «Исследования кристаллических выпрямителей во время Второй мировой войны и изобретение транзистора». История и технологии . 11 (2): 121–130. DOI : 10.1080 / 07341519408581858 .
  12. ^ Майкл Риордан, Лилиан Ходдесон (1997). Кристальный огонь: рождение информационного века . ISBN 9780393041248.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  13. ^ Кристоф Лекюер; Дэвид С. Брук; Джей Ласт (2010). Создатели микрочипа: документальная история Fairchild Semiconductor . С. 62–63. ISBN 978-0262014243.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  14. ^ Claeys, Cor L. (2003). Интеграция процессов ULSI III: Материалы международного симпозиума . Электрохимическое общество . С. 27–30. ISBN 978-1566773768.
  15. ^ Lojek, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media. п. 324. ISBN 978-3540342588.
  16. ^ Стефан Фердинанд Мюллер (2016). Разработка сегнетоэлектрических запоминающих устройств на основе HfO2 для узлов КМОП-технологий будущего . ISBN 9783739248943.
  17. ^ Б.Г. Лоу; РА Сарин (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения . ISBN 9781466554016.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  18. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К эпохе цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост технологии MOS . Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 22. ISBN 978-0801886393.
  19. ^ «Мартин Аталла в Зале славы изобретателей, 2009» . Проверено 21 июня 2013 года .
  20. ^ а б "Давон Канг" . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 27 июня 2019 .
  21. ^ "1960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  22. ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С.  321 –3. ISBN 9783540342588.
  23. ^ «960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  24. ^ Motoyoshi, М. (2009). «Сквозной кремниевый переходник (TSV)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. DOI : 10.1109 / JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .  
  25. ^ "Транзисторы поддерживают закон Мура" . EETimes . 12 декабря 2018 . Проверено 18 июля 2019 .
  26. ^ "Кто изобрел транзистор?" . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 . Проверено 20 июля 2019 .
  27. ^ Дункан, Бен (1996). Усилители мощности звука с высокими характеристиками . Эльзевир . п. 177. ISBN. 9780080508047.
  28. ^ a b «Выступление директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 г.» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . 10 июня 2019 . Проверено 20 июля 2019 .
  29. ^ «1963: Изобретена дополнительная конфигурация схемы MOS» . Музей истории компьютеров . Дата обращения 6 июля 2019 .
  30. ^ Патент США 3102230 , поданный в 1960 году, выпущенный в 1963 году
  31. ^ D. Kahng и SM Sze, «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», The Bell System Technical Journal , vol. 46, нет. 4. 1967, с. 1288–1295.
  32. ^ Colinge, JP (2008). FinFET и другие многозатворные транзисторы . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN 9780387717517.
  33. ^ Секигава, Тосихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчетные пороговые характеристики XMOS-транзистора с дополнительным нижним затвором». Твердотельная электроника . 27 (8): 827–828. DOI : 10.1016 / 0038-1101 (84) 90036-4 . ISSN 0038-1101 . 
  34. ^ "Получатели премии Эндрю С. Гроув IEEE" . Премия IEEE Эндрю С. Гроув . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 4 июля 2019 .
  35. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF) . Intel . 2014 . Дата обращения 4 июля 2019 .
  36. ^ Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: McGraw-Hill International . п. 397. ISBN. 978-0-07-085505-2.
  37. ^ а б Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: Макгроу-Хилл. С. 384–385. ISBN 978-0-07-085505-2.
  38. ^ Galup-Монторо, С .; Шнайдер, MC (2007). Моделирование полевых МОП-транзисторов для анализа и проектирования схем . Лондон / Сингапур: World Scientific . п. 83 . ISBN 978-981-256-810-6.
  39. ^ Норберт Р. Малик (1995). Электронные схемы: анализ, моделирование и проектирование . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. С. 315–316. ISBN 978-0-02-374910-0.
  40. ^ Спенсер, RR; Гаузи, MS (2001). Микроэлектронные схемы . Верхняя река Сэдл, штат Нью-Джерси: Pearson Education / Prentice-Hall. п. 102. ISBN 978-0-201-36183-4.
  41. ^ Sedra, AS; Смит, KC (2004). Микроэлектронные схемы (Пятое изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 552 . ISBN 978-0-19-514251-8.
  42. ^ PR Серый; П.Дж. Херст; Ш. Льюис; Р. Г. Мейер (2001). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Вили. стр. §1.5.2 с. 45. ISBN 978-0-471-32168-2.
  43. ^ Боб Yirka (10 января 2011). «IBM создает первую интегральную схему на основе графена» . Phys.org . Проверено 14 января 2019 .
  44. ^ Лин, Ю.-М .; Valdes-Garcia, A .; Han, S.-J .; Фермер, DB; Sun, Y .; Wu, Y .; Dimitrakopoulos, C .; Гриль, А; Avouris, P; Дженкинс, KA (2011). "Интегральная схема из графена в масштабе пластины". Наука . 332 (6035): 1294–1297. DOI : 10.1126 / science.1204428 . PMID 21659599 . S2CID 3020496 .  
  45. ^ Belle Dume (10 декабря 2012). «Гибкий графеновый транзистор устанавливает новые рекорды» . Мир физики . Проверено 14 января 2019 .
  46. ^ Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. DOI : 10.1039 / B204444G . PMID 12375833 .  
  47. ^ freepatentsonline.com , HIGFET и метод - Motorola]
  48. ^ Ionescu, AM; Риэль, Х. (2011). «Туннельные полевые транзисторы как энергоэффективные электронные ключи». Природа . 479 (7373): 329–337. DOI : 10,1038 / природа10679 . PMID 22094693 . S2CID 4322368 .  
  49. ^ "Органический транзистор прокладывает путь новым поколениям компьютеров, вдохновленных нейро" . ScienceDaily . 29 января 2010 . Проверено 14 января 2019 года .
  50. ^ Сарвари H .; Ghayour, R .; Дастджерды, Э. (2011). "Частотный анализ полевого транзистора графеновой наноленты с помощью неравновесной функции Грина в пространстве мод". Physica E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 43 (8): 1509–1513. DOI : 10.1016 / j.physe.2011.04.018 .
  51. ^ Ежи Рузилло (2016). Глоссарий по полупроводникам: ресурс для полупроводникового сообщества . World Scientific. п. 244. ISBN 978-981-4749-56-5.
  52. ^ Appenzeller, J, et al. (Ноябрь 2008 г.). «К нанопроводной электронике» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 55 (11): 2827–2845. DOI : 10.1109 / ted.2008.2008011 . ISSN 0018-9383 . OCLC 755663637 . S2CID 703393 .   
  53. ^ Пракаш, Абхиджит; Илатихамене, Хесамеддин; Ву, Пэн; Аппенцеллер, Йорг (2017). «Понимание контактного стробирования в транзисторах с барьером Шоттки из 2D каналов» . Научные отчеты . 7 (1): 12596. DOI : 10.1038 / s41598-017-12816-3 . ISSN 2045-2322 . OCLC 1010581463 . PMC 5626721 . PMID 28974712 .    
  54. ^ Миклош, Больца. "Что такое транзисторы с графеновым полевым эффектом (GFET)?" . Графена . Проверено 14 января 2019 .
  55. ^ VIII.5. Шум в транзисторах
  56. ^ Аллен Моттерсхед (2004). Электронные устройства и схемы сираджа . Нью-Дели: Прентис-Холл Индии. ISBN 978-81-203-0124-5.
  57. ^ Отказы медленных диодов полевых транзисторов (FET): тематическое исследование .
  58. ^ Sporea, РА; Трейнор, MJ; Янг, Н.Д .; Сильва, SRP (2014). «Транзисторы с истоковым затвором для улучшения характеристик тонкопленочных цифровых схем на порядок» . Научные отчеты . 4 : 4295. DOI : 10.1038 / srep04295 . PMC 3944386 . PMID 24599023 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • PBS Полевой транзистор
  • Как работают полупроводники и транзисторы (МОП-транзисторы) WeCanFigureThisOut.org
  • Переходный полевой транзистор
  • Схема затвора CMOS
  • Победа в битве против защелкивания аналоговых переключателей CMOS
  • Полевые транзисторы в теории и на практике
  • Полевой транзистор как резистор с регулируемым напряжением
  • «FET (полевой транзистор)» . ролинычупетин (LRLinares). 30 марта 2013 г. - через YouTube .