Полевой транзистор - Field-effect transistor

"FET" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. FET (значения).

Поперечный разрез полевого транзистора, показывающий источник, ворота и осушать терминалы

В полевой транзистор (Полевой транзистор) является разновидностью транзистор который использует электрическое поле контролировать поток Текущий. Полевые транзисторы - это устройства с тремя выводами: источник, ворота, и осушать. Полевые транзисторы управляют потоком 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 предполагают работу с одной несущей. То есть полевые транзисторы используют либо электроны или же дыры в качестве носители заряда в их работе, но не в обоих случаях. Существует много различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно очень высокое входное сопротивление на низких частотах. Наиболее широко используемым полевым транзистором является МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

История

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

Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована австро-венгерским физиком. Юлиус Эдгар Лилиенфельд в 1925 г. и к Оскар Хайль в 1934 году, но построить действующий практический полупроводниковый прибор на основе концепции. В транзистор Эффект позже был обнаружен и объяснен Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн работая под Уильям Шокли в Bell Labs в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия патента. Первоначально Шокли попытался создать работающий полевой транзистор, пытаясь модулировать проводимость полупроводник, но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностные состояния, то болтающаяся облигация, а германий и медь составные материалы. В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Браттейн вместо этого создали точечный транзистор в 1947 г., за которым последовал биполярный переходной транзистор в 1948 г.[1][2]

Первым успешно построенным полевым транзистором был переходной полевой транзистор (JFET).[1] JFET был впервые запатентован Генрих Велкер в 1945 г.[3] В транзистор статической индукции (SIT), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами. Дзюн-ичи Нисидзава и Я. Ватанабе в 1950 году. После теоретической работы Шокли по JFET в 1952 году Джордж Ф. Дейси и Ян М. Росс в 1953 г.[4] Однако у JFET все еще были проблемы, влияющие на переходные транзисторы в целом.[5] Переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно изготовить на массовое производство основы, что ограничило 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 препятствовал внешнему воздействию. электрическое поле от проникновения в материал.[5] К середине 1950-х исследователи в значительной степени отказались от концепции полевого транзистора и вместо этого сосредоточились на биполярный переходной транзистор (BJT) технология.[6]

Основы технологии MOSFET были заложены работой Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн. Шокли независимо представил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но не смог построить работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу с точки зрения поверхностные состояния. Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущие работы по поверхностным состояниям были выполнены Шокли в 1939 г. Игорь Тамм в 1932 г.) 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 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».[7]

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 устройство на полевых транзисторах работало, 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 отказаться от кремний к германий и в процессе их оксид нечаянно смылся. 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».[7][8][9][10][11]

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. Установлено, что медленные поверхностные состояния связаны с оксидным слоем из-за адсорбция атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Последние оказались гораздо более многочисленными и имеют гораздо более длительный срок службы. время релаксации. В то время Фило Фарнсворт и другие придумали различные методы получения атомарно чистых поверхностей полупроводников.

В 1955 г. Карл Фрош и Линкольн Деррик случайно покрыл поверхность силиконом вафля со слоем диоксид кремния. Они показали, что оксидный слой препятствует проникновению одних примесей в кремниевую пластину, в то время как позволяет другим, таким образом пассивирующий эффект окисление на поверхности полупроводника. Их дальнейшая работа продемонстрировала, как вытравить небольшие отверстия в оксидном слое для диффузии легирующих 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 в изготовление устройств 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. Shockley Semiconductor, Шокли разослал препринт своей статьи в декабре 1956 года всем своим руководящим сотрудникам, включая Жан Хорни.[5][12][13]

В 1955 г. 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 г. Джон Уоллмарк подал патент на FET, в котором оксид германия был использован в качестве диэлектрика затвора, но он не преследовал эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал двойные ворота FET. В марте 1957 г. в своей лабораторной тетради Эрнесто Лабате, научный сотрудник Bell Labs, задумано как устройство, подобное предложенному позже MOSFET, хотя устройство Лабате явно не использовало диоксид кремния как изолятор.[14][15][16][17]

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

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

Прорыв в исследованиях полевых транзисторов явился результатом работы египетского инженера. Мохамед Аталла в конце 1950-х гг.[2] 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 полупроводниковая промышленность поскольку это сделало массовое производство кремния интегральные схемы возможный.[18][19]

В полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (MOSFET) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году.[20][21] MOSFET в значительной степени вытеснил как биполярный транзистор, так и JFET,[1] и оказал глубокое влияние на цифровой электронный разработка.[22][21] С этими высокая масштабируемость,[23] и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем у биполярных транзисторов,[24] MOSFET позволил построить высокая плотность интегральные схемы.[25] MOSFET также может работать с более высокой мощностью, чем JFET.[26] MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений.[5] Таким образом, MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике,[19] и коммуникационные технологии (Такие как смартфоны ).[27] В Бюро патентов и товарных знаков США называет это «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире».[27]

CMOS (дополнительный МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для полевых МОП-транзисторов, был разработан Чи-Тан Сах и Фрэнк Ванласс в Fairchild Semiconductor в 1963 г.[28][29] Первый отчет МОП-транзистор с плавающим затвором был сделан Dawon Kahng и Саймон Зе в 1967 г.[30] А двойные ворота MOSFET был впервые продемонстрирован в 1984 г. Электротехническая лаборатория исследователи Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси.[31][32] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип 3D неплоского мульти-ворота MOSFET, возникший в результате исследования Дай Хисамото и его команды в Центральная исследовательская лаборатория Hitachi в 1989 г.[33][34]

Основная информация

Смотрите 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.[35] Устройство состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или дыры, течь 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 терминала FET:[36]

  1. источник (S), через который носители попадают в канал. Условно ток, поступающий в канал в точке S, обозначается буквой I.S.
  2. сток (D), через который носители покидают канал. Условно ток, поступающий в канал в точке D, обозначается буквой I.D. Напряжение сток-исток составляет ВDS.
  3. затвор (G), терминал, который модулирует проводимость канала. Подавая напряжение на G, можно управлять ID.

Подробнее о терминалах

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

Все полевые транзисторы имеют источник, осушать, и ворота терминалы, которые примерно соответствуют излучатель, коллектор, и основание из БЮТ. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый тело, основание, масса, или же субстрат. Этот четвертый терминал служит для предвзятость транзистор в работу; редко можно нетривиально использовать вывод корпуса в схемотехнике, но его наличие важно при настройке физическая планировка из Интегральная схема. Размер ворот, длина L на диаграмме - расстояние между истоком и стоком. В ширина - это расширение 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.

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. Тело просто относится к основной части полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно клемма корпуса 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 применений полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например ворота передачи и каскод схемы.

Влияние напряжения затвора на ток

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-канале нанопроволока МОП-транзистор. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства лежит около 0,45 В.
Типы условных обозначений FET

FET контролирует поток электроны (или же электронные дыры ) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого и находящегося под влиянием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к клеммам 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.

n-канальный полевой транзистор

В n-канал устройство "обедненного режима", отрицательное напряжение затвор-исток вызывает область истощения расширяться в ширину и посягать на 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, называют «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» проводящий 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 достаточное количество электронов около затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует регион без операторов мобильной связи, называемый область истощения, и напряжение, при котором это происходит, называется пороговое напряжение 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 инверсия.

p-канальный полевой транзистор

В р-канал Устройство «обедненного режима», положительное напряжение от затвора к телу расширяет обедненный слой, заставляя электроны двигаться к границе раздела 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

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.[37][38]

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 режим насыщения;[39] хотя некоторые авторы называют это активный режим, для лучшей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора.[40][41] 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.

Несмотря на то, что проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, перевозчики не заблокированы от потока. Рассматривая снова n-канальное устройство расширенного режима, область истощения существует в теле p-типа, окружающем проводящий канал и 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 кремний. 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 в качестве резистора, и может эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Сочинение

Полевые транзисторы могут быть построены из различных полупроводников -кремний на сегодняшний день является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются из обычных массивных методы обработки полупроводников, используя монокристаллический полупроводник вафля как активная область или канал.

Среди наиболее необычных материалов корпуса можно выделить аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочные транзисторы или же органические полевые транзисторы (OFET), основанные на органические полупроводники; 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 успешно использовала графен полевые транзисторы в Интегральная схема.[42][43] Эти транзисторы имеют частоту среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов.[44]

Типы

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

Канал полевого транзистора допированный произвести либо n-тип полупроводник или полупроводник 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:

  • В МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует изолятор (обычно SiO2 ) между воротами и корпусом. Это, безусловно, наиболее распространенный тип полевых транзисторов.
    • DGMOSFET (МОП-транзистор с двойным затвором ) или DGMOS, полевой МОП-транзистор с двумя изолированными затворами.
    • IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором ) - устройство для регулирования мощности. Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, связанный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
    • MNOS (транзистор металл – нитрид – оксид – полупроводник ) использует нитридно-оксидный слой изолятор между воротами и корпусом.
    • В ISFET (ионно-чувствительный полевой транзистор) можно использовать для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H+, видеть pH электрод ) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится.
    • В BioFET (Биологически чувствительный полевой транзистор) - класс сенсоров / биосенсоров на основе ISFET технологии, которые используются для обнаружения заряженных молекул; когда присутствует заряженная молекула, изменения электростатического поля 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-транзисторы, клеточные BioFET (CPFET), полевые транзисторы «жук / чип» (BeetleFET) и полевые транзисторы, основанные на связывании ионных каналов / белков.[45]
    • ДНКFET (Полевой транзистор ДНК ) является специализированным полевым транзистором, который действует как биосенсор, с помощью ворот, сделанных из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих цепей ДНК.
  • В JFET (переход полевого транзистора) использует обратносмещенный p – n переход для отделения затвора от корпуса.
  • DEPFET - это полевой транзистор, сформированный на полностью истощенной подложке, который одновременно действует как датчик, усилитель и узел памяти. Его можно использовать как датчик изображения (фотона).
  • FREDFET (эпитаксиальный диодный полевой транзистор с быстрым реверсом или быстрым восстановлением) - это специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) внутреннего диода, что делает его удобным для вождения. индуктивный такие нагрузки, как электродвигатели, особенно средней мощности бесщеточные двигатели постоянного тока.
  • HIGFET (гетероструктурный полевой транзистор с изолированным затвором) в настоящее время используется в основном в исследовательских целях.[46]
  • MODFET (полевой транзистор, легированный модуляцией) представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов используя квантовая яма структура образована градиентным легированием активной области.
  • TFET (туннельный полевой транзистор ) основан на межполосном туннелировании.[47]
  • В HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов ), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор), может быть изготовлен с использованием инженерия запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs. Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
  • В MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) заменяет p – n переход JFET с Барьер Шоттки; и используется в GaAs и других Полупроводник III-V материалы.
  • В NOMFET представляет собой полевой транзистор с органической памятью в виде наночастиц.[48]
  • GNRFET (полевой транзистор с графеновой нанолентой) использует графеновая нанолента для своего канала.[49]
  • 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.[50]
  • CNTFET (полевой транзистор из углеродных нанотрубок ).
  • OFET (органический полевой транзистор ) использует в своем канале органический полупроводник.
  • QFET (квантовый полевой транзистор ) 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) представляет собой полевой транзистор с металлическими контактными электродами истока и стока, которые создают Барьеры Шоттки на интерфейсах исток-канал и сток-канал.[51][52]
  • GFET - это высокочувствительный полевой транзистор на основе графена, используемый в качестве биосенсоры и химические датчики. Благодаря двумерной структуре графена, наряду с его физическими свойствами, GFET-транзисторы обеспечивают повышенную чувствительность и уменьшение количества ложных срабатываний в сенсорных приложениях.[53]
  • В Fe FET использует сегнетоэлектрик между затвором, позволяя транзистору сохранять свое состояние при отсутствии смещения - такие устройства могут иметь применение как энергонезависимая память.

Преимущества

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,[54] полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный переходной транзистор (BJT) и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители за УКВ и спутниковые ресиверы. 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.[36] Поскольку они управляются зарядом ворот, после того, как ворота закрываются или открываются, дополнительная мощность не требуется, как это было бы с биполярный переходной транзистор или без фиксации реле в некоторых штатах. Это позволяет осуществлять переключение с очень низким энергопотреблением, что, в свою очередь, позволяет добиться большей миниатюризации схем, поскольку потребности в рассеивании тепла уменьшаются по сравнению с другими типами переключателей.

Недостатки

Полевой транзистор имеет относительно низкую произведение коэффициент усиления – пропускная способность по сравнению с БЮТ. МОП-транзистор очень чувствителен к перегрузкам, поэтому при установке требуется особое обращение.[55]Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатический разряд или изменения 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 полевые транзисторы высокого напряжения имеют относительно высокое сопротивление во включенном состоянии и, следовательно, потери проводимости.[нужна цитата ]

Режимы отказа

Полевые транзисторы относительно надежны, особенно при работе в температурных и электрических ограничениях, установленных производителем (надлежащие снижение номинальных характеристик ). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут включать корпус 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.[56]

Использует

Наиболее часто используемый полевой транзистор - это МОП-транзистор. В CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник) техпроцесс является основой современных цифровой интегральные схемы. Этот технологический процесс использует схему, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный полевой МОП-транзистор и n-канальный полевой МОП-транзистор соединены последовательно таким образом, 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 ). С помощью этой концепции можно построить твердотельный микшерный пульт Например, полевой транзистор обычно используется в качестве усилителя. Например, из-за большого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления он эффективен в качестве буфера в общий сток (последователь источника) конфигурация.

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

Транзистор с истоковым затвором

Транзисторы с закрытым истоком более устойчивы к производственным и экологическим проблемам в электронике большой площади, такой как экраны дисплеев, но работают медленнее, чем полевые транзисторы.[57]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Ли, Томас Х. (2003). Конструкция КМОП радиочастотных интегральных схем (PDF). Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781139643771.
  2. ^ а б Пуэрс, Роберт; Бальди, Ливио; Вурде, Марсель Ван де; Ноутен, Себастьян Э. ван (2017). Наноэлектроника: материалы, устройства, приложения, 2 тома. Джон Уайли и сыновья. п. 14. ISBN  9783527340538.
  3. ^ Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников. Springer-Verlag. ISBN  978-3-642-13884-3.
  4. ^ Дзюн-Ичи Нисидзава (1982). «Переходные полевые устройства». Полупроводниковые приборы для регулирования мощности. Springer. С. 241–272. Дои:10.1007/978-1-4684-7263-9_11. ISBN  978-1-4684-7265-3. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  5. ^ а б c d Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья. п. 168. ISBN  9780470508923.
  6. ^ «Основа современного цифрового мира: триумф МОП-транзистора». Музей истории компьютеров. 13 июля 2010 г.. Получено 21 июля 2019.
  7. ^ а б Ховард Р. Дафф (2001). «Джон Бардин и транзисторная физика». Материалы конференции AIP. 550. С. 3–32. Дои:10.1063/1.1354371.
  8. ^ Ганс Камензинд (2005). Разработка аналоговых микросхем.
  9. ^ ULSI Science and Technology / 1997 г.. 1997. стр. 43. ISBN  9781566771306.
  10. ^ Лилиан Ходдсон (1994). «Исследования кристаллических выпрямителей во время Второй мировой войны и изобретение транзистора». История и технологии. 11 (2): 121–130. Дои:10.1080/07341519408581858.
  11. ^ Майкл Риордан, Лилиан Ходдесон (1997). Кристальный огонь: рождение информационной эпохи. ISBN  9780393041248.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  12. ^ Кристоф Лекюайер; Дэвид С. Брук; Джей Ласт (2010). Создатели микрочипов: документальная история Fairchild Semiconductor. п. 62-63. ISBN  978-0262014243.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  13. ^ Клэйс, Кор Л. (2003). ULSI Process Integration III: Материалы международного симпозиума. Электрохимическое общество. п. 27-30. ISBN  978-1566773768.
  14. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. п. 324. ISBN  978-3540342588.
  15. ^ Стефан Фердинанд Мюллер (2016). Разработка сегнетоэлектрических запоминающих устройств на основе HfO2 для узлов КМОП-технологий будущего. ISBN  9783739248943.
  16. ^ Б.Г. Лоу; Р.А. Сарин (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения. ISBN  9781466554016.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  17. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 22. ISBN  978-0801886393.
  18. ^ «Мартин Аталла в Зале славы изобретателей, 2009». Получено 21 июн 2013.
  19. ^ а б "Давон Канг". Национальный зал славы изобретателей. Получено 27 июн 2019.
  20. ^ «1960 - Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  21. ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. стр.321 –3. ISBN  9783540342588.
  22. ^ «960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  23. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое соединение (TSV)». Труды IEEE. 97 (1): 43–48. Дои:10.1109 / JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  24. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура». EETimes. 12 декабря 2018 г.. Получено 18 июля 2019.
  25. ^ "Кто изобрел транзистор?". Музей истории компьютеров. 4 декабря 2013 г.. Получено 20 июля 2019.
  26. ^ Дункан, Бен (1996). Усилители мощности аудио высокого качества. Эльзевир. п. 177. ISBN  9780080508047.
  27. ^ а б «Выступление директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 г.». Ведомство США по патентам и товарным знакам. 10 июня 2019 г.,. Получено 20 июля 2019.
  28. ^ «1963: изобретена дополнительная конфигурация схемы МОП». Музей истории компьютеров. Получено 6 июля 2019.
  29. ^ Патент США 3102230 , подано в 1960 г., выдано в 1963 г.
  30. ^ Д. Канг и С. М. Сзе, «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», Технический журнал Bell System, т. 46, нет. 4. 1967, с. 1288–1295.
  31. ^ Колиндж, Дж. П. (2008). FinFET и другие транзисторы с несколькими затворами. Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN  9780387717517.
  32. ^ Секигава, Тосихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчетные пороговые характеристики XMOS-транзистора с дополнительным нижним затвором». Твердотельная электроника. 27 (8): 827–828. Дои:10.1016/0038-1101(84)90036-4. ISSN  0038-1101.
  33. ^ «Получатели премии IEEE Andrew S. Grove Award». Премия IEEE Эндрю С. Гроув. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 4 июля 2019.
  34. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF). Intel. 2014. Получено 4 июля 2019.
  35. ^ Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы. Сингапур: McGraw-Hill International. п. 397. ISBN  978-0-07-085505-2.
  36. ^ а б Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы. Сингапур: Макгроу-Хилл. С. 384–385. ISBN  978-0-07-085505-2.
  37. ^ Galup-Montoro, C .; Шнайдер, М. (2007). Моделирование полевых МОП-транзисторов для анализа и проектирования схем. Лондон / Сингапур: Всемирный научный. п.83. ISBN  978-981-256-810-6.
  38. ^ 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.
  39. ^ Spencer, R.R .; Гаузи, М. (2001). Микроэлектронные схемы. Верхняя река Сэдл, штат Нью-Джерси: Pearson Education / Prentice-Hall. п. 102. ISBN  978-0-201-36183-4.
  40. ^ Sedra, A. S .; Смит, К. (2004). Микроэлектронные схемы (Пятое изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п.552. ISBN  978-0-19-514251-8.
  41. ^ PR Серый; PJ Hurst; 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.
  42. ^ Боб Йирка (10 января 2011 г.). «IBM создает первую интегральную схему на основе графена». Phys.org. Получено 14 января 2019.
  43. ^ Лин, Ю.-М .; Valdes-Garcia, A .; Han, S.-J .; Фармер, Д. Б .; Sun, Y .; Wu, Y .; Dimitrakopoulos, C .; Гриль, А; Avouris, P; Дженкинс, К. А. (2011). "Интегральная схема из графена в масштабе пластины". Наука. 332 (6035): 1294–1297. Дои:10.1126 / science.1204428. PMID  21659599. S2CID  3020496.
  44. ^ Бель Дюме (10 декабря 2012 г.). «Гибкий графеновый транзистор устанавливает новые рекорды». Мир физики. Получено 14 января 2019.
  45. ^ Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF). Аналитик. 127 (9): 1137–1151. Дои:10.1039 / B204444G. PMID  12375833.
  46. ^ freepatentsonline.com, HIGFET и метод - Motorola]
  47. ^ Ионеску, А. М .; Риель, Х. (2011). «Туннельные полевые транзисторы как энергоэффективные электронные ключи». Природа. 479 (7373): 329–337. Дои:10.1038 / природа10679. PMID  22094693. S2CID  4322368.
  48. ^ «Органический транзистор открывает путь для нового поколения компьютеров, вдохновленных нейро». ScienceDaily. 29 января 2010 г.. Получено 14 января, 2019.
  49. ^ Sarvari 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. Дои:10.1016 / j.physe.2011.04.018.
  50. ^ Ежи Рузилло (2016). Глоссарий по полупроводникам: ресурс для полупроводникового сообщества. World Scientific. п. 244. ISBN  978-981-4749-56-5.
  51. ^ Appenzeller, J, et al. (Ноябрь 2008 г.). «К нанопроводной электронике». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 55 (11): 2827–2845. Дои:10.1109 / ted.2008.2008011. ISSN  0018-9383. OCLC  755663637. S2CID  703393.
  52. ^ 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. Дои:10.1038 / s41598-017-12816-3. ISSN  2045-2322. OCLC  1010581463. ЧВК  5626721. PMID  28974712.
  53. ^ Миклош, Больца. "Что такое графеновые полевые транзисторы (GFET)?". Графенея. Получено 14 января 2019.
  54. ^ VIII.5. Шум в транзисторах
  55. ^ Аллен Моттерсхед (2004). Электронные устройства и схемы. Нью-Дели: Прентис-Холл Индии. ISBN  978-81-203-0124-5.
  56. ^ Отказы медленных диодов полевых транзисторов (FET): пример из практики.
  57. ^ Sporea, R.A .; Трейнор, M.J .; Young, N.D .; Сильва, С. (2014). "Транзисторы с истоковым затвором для улучшения характеристик тонкопленочных цифровых схем на порядок". Научные отчеты. 4: 4295. Дои:10.1038 / srep04295. ЧВК  3944386. PMID  24599023.

внешняя ссылка