Войти
Поперечный разрез полевого транзистора, показывающий выводы истока, затвора и стока полевой транзистор (FET ) - это тип транзистора, который использует электрическое поле для управления потоком 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 в своей работе используют либо электроны, либо дырки в качестве носителей заряда, но не то и другое вместе. Существует много различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно имеют очень высокий входной импеданс на низких частотах. Наиболее широко используемым полевым транзистором является MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).
Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепция полевого транзистора в 1925 году. Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году и Оскаром Хайлем в 1934 году, но они не смогли 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 Уильямом 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., а также материалы соединения германия и меди. В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Браттейн вместо этого в 1947 году создали точечный транзистор, за которым последовал биполярный Шокли. соединительный транзистор в 1948 году.
Первым успешно построенным полевым транзистором был соединительный полевой транзистор (JFET). JFET был впервые запатентован Генрихом Велкером в 1945 году. транзистор статической индукции (SIT), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами Jun- ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. Следуя теоретической работе Шокли о JFET в 1952 году, Джордж Ф. Дейси и Ян М. Росс в 1953 построили рабочий практический JFET. У JFET все еще были проблемы с переходными транзисторами в целом. Соединительные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в условиях массового производства, 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 предотвращал внешнее электрическое поле от проникновения в материал. К середине 1950-х годов исследователи в значительной степени отказались от концепции полевых транзисторов и вместо этого сосредоточились на технологии биполярных переходных транзисторов (BJT).
Основы технологии MOSFET были заложены работы Уильяма Шокли, Джона Бардина и Уолтера Браттейна. Шокли независимо представил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но не смог построить работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу в терминах состояний поверхности. Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущие работы по поверхностным состояниям были выполнены Шокли в 1939 г. и Игорем Таммом в 1932 г.) и понял, что внешнее поле блокируется на поверхности из-за дополнительных электронов, которые обращается к поверхности полупроводника. Электроны попадают в эти локализованные состояния, образуя инверсионный слой. Гипотеза Бардина ознаменовала рождение физики поверхности. Затем Бардин решил использовать инверсионный слой и использовать его вместо очень тонкого слоя полупроводника, который Шокли предусматривал 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 заряда, увеличивает 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».
После теории состояния поверхности Бардина трио попыталось 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 целью было проникнуть в оксидный слой и попасть в инверсионный слой. Однако Бардин предложил им перейти с кремния на германий, и в процессе их оксид случайно смылся. Они наткнулись на совершенно другой транзистор, точечный транзистор . Лилиан Ходдесон утверждает, что «если бы Браттейн и Бардин работали с кремнием вместо германия, они бы наткнулись на успешный полевой транзистор».
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 с оксидным слоем из-за адсорбции атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Было обнаружено, что последних намного больше, и у них гораздо больше времен релаксации. В то время Фило Фарнсворт и другие разработали различные методы получения атомно чистых поверхностей полупроводников.
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 производстве полевых МОП-транзисторов. 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, в том числе Жан Орни.
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 развивать эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал полевой транзистор с двойным затвором . В марте 1957 года в своем лабораторном блокноте Эрнесто Лабате, научный сотрудник Bell Labs, задумал устройство, подобное предложенному позже MOSFET, хотя в устройстве Лабате явно не использовался диоксид кремния в качестве изолятора.
Мохамед Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели полевой 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. В 1958 году он представил экспериментальную работу, которая показала, что уменьшение толщины 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 сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем.
полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. MOSFET в значительной степени вытеснил как биполярный транзистор, так и JFET, и оказал огромное влияние по цифровой электронной разработке. Благодаря своей высокой масштабируемости, гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать интегральные схемы с высокой плотностью. MOSFET также может обрабатывать более высокую мощность, чем JFET. MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. Таким образом, полевой МОП-транзистор стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике и коммуникационных технологиях (таких как смартфоны ). Бюро по патентам и товарным знакам США называет это «новаторским изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире».
CMOS (дополнительная МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для полевых МОП-транзисторов. Авторы Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Первый отчет о MOSFET с плавающим затвором был сделан Давон Кан и Саймон Сзе в 1967 году. МОП-транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 году исследователями Электротехнической лаборатории Тошихиро Секигава и Ютакой Хаяси. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского многозатворного полевого МОП-транзистора, возник в результате исследований Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 г.
Полевые транзисторы могут быть устройствами с основными носителями заряда, в которых ток переносится преимущественно по основным носителям заряда, или устройствами с неосновными носителями заряда, в которых t Этот ток в основном связан с потоком неосновных перевозчиков. 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 . Электропроводность канала является функцией потенциала, приложенного к клеммам затвора и истока.
Три клеммы полевого транзистора:
Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа Все полевые транзисторы имеют контакты истока, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и база БЮТ. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый корпусом, основанием, массивом или подложкой. Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; редко используется нетривиальный вывод корпуса в схемотехнике, но его наличие важно при настройке физической схемы интегральной схемы. Размер затвора, длина L на схеме, - это расстояние между истоком и стоком. Ширина - это протяженность транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на схеме (то есть в / из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц.
Имена 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. Тело просто относится к основной части полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно терминал 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 самому высокому или наименьшему напряжению в цепи, хотя есть несколько вариантов использования полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, затворы передачи и каскодировать схемы.
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 нанопроводе MOSFET. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В. 
Обычные типы символов полевых транзисторов Полевые транзисторы контролируют поток электронов (или электронных дыр ) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого и находящегося под влиянием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к выводам затвора и истока. (Для простоты в этом обсуждении предполагается, что корпус и исток соединены.) Этот проводящий канал является «потоком», через который электроны текут от истока к стоку.
В n-канальном устройстве с "режимом истощения" отрицательное напряжение затвор-исток вызывает область истощения расширяться в ширину и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если активная область расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока до стока становится большим, и полевой транзистор эффективно выключается, как переключатель (см. Рисунок справа, когда есть очень маленький ток). Это называется «отсечкой», а напряжение, при котором это происходит, называется «отсечкой». 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 несущих, 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 смогут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией.
В устройстве p-канала «обедненного режима» положительное напряжение от затвора к телу расширяет обедненный слой, заставляя электроны граница раздела затвор-изолятор / полупроводник, оставляя открытой свободную от носителей область неподвижных положительно заряженных акцепторных ионов.
И наоборот, в устройстве с р-каналом «улучшенного режима» проводящая область не существует, и для создания проводящего канала необходимо использовать отрицательное напряжение.
Для устройств в режиме повышения или истощения при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжение затвора изменит сопротивление канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно напряжения истока). В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном режиме или в омическом режиме.
Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение в форма 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; хотя некоторые авторы называют его активным режимом для лучшей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора. Режим насыщения или область между омическим состоянием 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.
Даже несмотря на то, что проводящий канал, сформированный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, поток несущих 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 не содержит 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 действует 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.
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.
К наиболее необычным материалам корпуса относятся аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органических полевые транзисторы (OFET) на основе органических полупроводников ; Часто изоляторы и электроды затворов OFET также изготавливаются из органических материалов. Такие полевые транзисторы производятся 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, что она успешно использовала полевые транзисторы на основе графена в интегральной схеме. Эти транзисторы имеют частоту среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов.
полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях: JFET, поликремниевый MOSFET, двухзатворный MOSFET, металл- ворота MOSFET, MESFET. Истощение Электроны Отверстия Металл Изолятор Вверху: исток, внизу: сток, слева: затвор, справа: массив. Напряжения, которые приводят к образованию канала, не показаны. Канал полевого транзистора легирован для производства либо полупроводника n-типа, либо 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 отличаются также методом изоляции между каналом и затвором. Типы полевых транзисторов включают:
Полевой транзистор имеет высокое сопротивление току затвор-сток, порядка 100 МОм или более, обеспечивая высокую степень изоляции между управлением и течь. Поскольку шум базового тока будет увеличиваться со временем формирования, полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем транзистор с биполярным переходом (BJT), и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители. для VHF и спутниковых приемников. Он относительно невосприимчив к радиации. Он не показывает напряжения смещения при нулевом токе стока и представляет собой отличный прерыватель сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. Поскольку они управляются зарядом затвора, при закрытии или открытии затвора не требуется дополнительной мощности, как это было бы с биполярным переходным транзистором или с реле без фиксации в некоторых штатах. 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.
Полевой транзистор имеет относительно низкое произведение коэффициента усиления на полосу пропускания по сравнению с BJT. МОП-транзистор очень чувствителен к перегрузкам, поэтому при установке требуется особое обращение. 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 при быстром переключении, 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.
полевые транзисторы являются относительно надежен, особенно при эксплуатации в пределах температурных и электрических ограничений, установленных производителем (надлежащее снижение характеристик ). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут включать в себя основной 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.
Наиболее часто используемый полевой транзистор - это MOSFET. Технологический процесс CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой для современных цифровых интегральных схем. В этом технологическом процессе используется компоновка, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный полевой МОП-транзистор и n-канальный полевой МОП-транзистор соединены последовательно, так что когда один 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 твердотельную микшерную панель. FET 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 двигателя внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.
Source-gated transistors are more robust to manufacturing and environmental issues in large-area electronics such as display screens, but are slower in operation than FETs.
 | Wikimedia Commons has media related to Field-effect Transistors. |
