✖


Jump to content

Полевой транзистор

(Перенаправлено с N-канала )
«ФЕТ» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. FET (значения) .

Поперечное сечение полевого транзистора с выводами истока , затвора и стока .

Полевой транзистор ( FET ) — это тип транзистора , который использует электрическое поле для управления потоком тока в полупроводнике . Он бывает двух типов: переходной полевой транзистор (JFET) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Полевые транзисторы имеют три вывода: исток , затвор и сток . Полевые транзисторы управляют потоком тока путем подачи напряжения на затвор, что, 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 либо электроны (n-канал), либо дырки (p-канал) в качестве носителей заряда в своей работе , но не то и другое. Существует множество различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно имеют очень высокий входной импеданс на низких частотах. Наиболее широко используемый полевой транзистор — MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

История

[ редактировать ]
Дополнительная информация: История транзистора.
Юлиус Эдгар Лилиенфельд , предложивший концепцию полевого транзистора в 1925 году.

Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована физиком австро-венгерского происхождения Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году. [1] и Оскар Хайль в 1934 году, но они не смогли создать работающее практическое полупроводниковое устройство на основе этой концепции. Транзисторный в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия эффект позже наблюдали и объяснили Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн, работая под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs 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 германия и меди соединениями . В ходе попыток понять загадочные причины, по которым им не удалось создать работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Брэттейн вместо этого изобрели транзистор с точечным контактом в 1947 году, за которым в 1948 году последовал биполярный переходной транзистор Шокли . [2] [3]

Первым успешно созданным полевым транзистором был полевой транзистор (JFET). [2] JFET был впервые запатентован Генрихом Велькером в 1945 году. [4] Статический индукционный транзистор (SIT), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами Дзюнъити Нисидзавой и Ю. Ватанабэ в 1950 году. После теоретического исследования Шокли JFET в 1952 году рабочий практический JFET был построен Джордж К. Дейси и Ян М. Росс в 1953 году. [5] Однако у JFET все еще были проблемы, влияющие на переходные транзисторы в целом. [6] Соединительные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить серийно , что ограничивало их ряд специализированных применений. Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) теоретически рассматривался как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли создать работающие IGFET, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который препятствовал проникновению внешнего электрического поля в материал. [6] К середине 1950-х годов исследователи в значительной степени отказались от концепции полевых транзисторов и вместо этого сосредоточились на биполярных переходных транзисторов (BJT). технологии [7]

Основы технологии MOSFET были заложены работами Уильяма Шокли , Джона Бардина и Уолтера Браттейна . Шокли независимо предложил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но ему не удалось создать работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу терминами поверхностных состояний . Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущая работа по поверхностным состояниям была проведена 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 ловушку в этих локализованных состояниях, образуя инверсионный слой. Гипотеза Бардина ознаменовала рождение физики 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 МОП-транзистора — полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) с инверсионным слоем. Инверсионный слой ограничивает поток неосновных носителей, увеличивая модуляцию и проводимость, хотя его транспорт 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 сегодня основу КМОП-технологии. В 1976 году Шокли описал гипотезу поверхностного состояния Бардина «как одну из наиболее важных исследовательских идей в программе полупроводников». [8]

После появления теории поверхностных состояний Бардина трио попыталось преодолеть эффект поверхностных состояний. В конце 1947 года Роберт Гибни и Браттейн предложили использовать электролит, помещенный между металлом и полупроводником, для преодоления эффектов поверхностных состояний. Их полевой транзистор работал, но усиление было плохим. Бардин пошел дальше и предложил сосредоточиться на проводимости инверсионного слоя. Дальнейшие эксперименты заставили их заменить электролит слоем твердого оксида в надежде получить лучшие результаты. Их целью было проникнуть через оксидный слой и добраться до инверсионного слоя. Однако Бардин предложил перейти с кремния на германий , и при этом их оксид случайно смылся. Они наткнулись на совершенно другой транзистор — точечный транзистор . Лилиан Ходдесон утверждает, что «если бы Браттейн и Бардин работали с кремнием, а не с германием, 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 с оксидным слоем из-за адсорбции атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Было обнаружено, что последних гораздо больше, и время релаксации у них гораздо больше . В то время Фило Фарнсворт и другие придумали 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 препятствует попаданию одних легирующих примесей в кремниевую пластину, в то же время допуская попадание других, тем самым обнаружив пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. Их дальнейшая работа продемонстрировала, как вытравливать 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, обобщив свою работу. Разработанная ими технология известна как оксидно-диффузионная маскировка, которая позже будет использоваться при изготовлении устройств MOSFET. В Bell Labs важность техники Фроша сразу осознали. Результаты их работы были распространены в Bell Labs в виде заметок BTL, а затем были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли в декабре 1956 года разослал препринт своей статьи всем своим старшим сотрудникам, включая Джина Эрни. . [6] [13] [14]

В 1955 году Ян Манро Росс подал патент на FeFET или MFSFET. Его структура напоминала современный инверсионный канал MOSFET, но в качестве диэлектрика/изолятора вместо оксида использовался сегнетоэлектрик. Он представлял это как форму памяти за несколько лет до появления МОП-транзистора с плавающим затвором . В феврале 1957 года Джон Уоллмарк подал патент на полевой транзистор , в котором монооксид германия в качестве диэлектрика затвора использовался , 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 своем лабораторном блокноте Эрнесто Лабате, ученый-исследователь из Bell Labs , придумал устройство, похожее на предложенный позже МОП-транзистор, хотя в устройстве Лабате явно не использовался диоксид кремния в качестве изолятора. [15] [16] [17] [18]

Металлооксидно-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)

[ редактировать ]
Основная статья: МОП-транзистор
Мохамед Аталла (слева) и Давон Кан (справа) изобрели МОП-транзистор (МОП-полевой транзистор) в 1959 году.

Прорыв в исследованиях полевых транзисторов произошел благодаря работе египетского инженера Мохамеда Аталлы в конце 1950-х годов. [3] В 1958 году он представил экспериментальную работу, которая показала, что выращивание 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 сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . [19] [20]

( Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник MOSFET) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. [21] [22] МОП-транзистор в значительной степени вытеснил как биполярный транзистор, так и JFET. [2] и оказал глубокое влияние на развитие цифровой электроники . [23] [22] Благодаря высокой масштабируемости , [24] и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем у транзисторов с биполярным переходом, [25] MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности . [26] MOSFET также способен выдерживать более высокую мощность, чем JFET. [27] МОП-транзистор был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [6] Таким образом, MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике, [20] и коммуникационные технологии (например, смартфоны ). [28] Ведомство по патентам и товарным знакам США называет это «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [28]

КМОП (дополнительная МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для МОП-транзисторов, был разработан Чи-Танг Са и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. [29] [30] Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом и Саймоном Се в 1967 году. [31] МОП -транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 году исследователями Электротехнической лаборатории Тошихиро Секигава и Ютака Хаяси. [32] [33] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного непланарного многозатворного МОП-транзистора, возник в результате исследования Дига Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [34] [35]

Основная информация

[ редактировать ]
См. Также: Перевозчик платежей § Мажоритарные и миноритарные перевозчики

Полевые транзисторы могут быть устройствами с основными носителями заряда, в которых ток переносится преимущественно основными носителями заряда, или устройствами с неосновными носителями заряда, в которых ток возникает в основном за счет потока неосновных носителей заряда. [36] Устройство состоит из активного канала, по которому носители заряда, электроны или дырки , перетекают от истока к стоку. Проводники 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 несущие входят в канал. Обычно ток, входящий в канал S, обозначается I S .
  2. сток (D), через который носители покидают канал. Обычно ток, выходящий из канала D, обозначается ID . Напряжение сток-исток составляет V DS .
  3. ворота (G), терминал, который модулирует проводимость канала. Подавая напряжение на G, можно управлять I D .

Подробнее о терминалах

[ редактировать ]
Сечение МОП-транзистора n-типа

Все полевые транзисторы имеют выводы истока , стока и затвора которые примерно соответствуют эмиттеру , коллектору и базе BJT , . Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый корпусом , основанием , корпусом или подложкой . Этот четвертый вывод служит для включения транзистора в работу; Корпусную клемму редко используют в схемотехнических проектах нетривиально, но ее наличие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы . Размер затвора, длина L на схеме, представляет собой расстояние между истоком и стоком. Ширина — это протяженность транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. внутрь экрана или наружу). Обычно ширина намного больше длины ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, 0,2 мкм — примерно до 30 ГГц.

Названия терминалов соответствуют их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Эти ворота позволяют электронам проходить через них или блокируют их проход, создавая или устраняя канал между истоком и стоком. На поток электронов от клеммы истока к клемме стока влияет приложенное напряжение. Тело — это просто основная часть полупроводника, в которой расположены затвор, исток и сток. Обычно клемма корпуса подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа полевого транзистора. Вывод корпуса и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник часто подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, хотя есть несколько применений полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, передающие затворы и каскодные схемы.

В отличие от BJT, подавляющее большинство полевых транзисторов электрически симметричны. Таким образом, в практических схемах клеммы истока и стока можно менять местами без изменения рабочих характеристик или функций. Это может сбивать с толку, когда на принципиальных схемах и схемах полевые транзисторы кажутся подключенными «обратно», поскольку физическая ориентация полевых транзисторов была определена по другим причинам, например, из соображений компоновки печатной платы.

Влияние напряжения затвора на ток

[ редактировать ]
ВАХ и выходной график n-канального транзистора JFET
Результат моделирования справа: формирование инверсионного канала (электронная плотность) и слева: кривая напряжения токового затвора (переходные характеристики) в n-канальном нанопроволочном МОП-транзисторе . Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.
Типы обычных символов FET

Полевой транзистор управляет потоком электронов (или электронных дырок ) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого и находящегося под воздействием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к клеммам затвора и истока. (Для простоты в этом обсуждении предполагается, что тело и источник соединены.) Этот проводящий канал представляет собой «поток», по которому электроны текут от истока к стоку.

n-канальный полевой транзистор

[ редактировать ]

В n-канальном устройстве «в режиме истощения» отрицательное напряжение затвор-исток приводит к тому, что область истощения расширяется в ширину и вторгается 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 фактически отключается, как переключатель (см. рисунок справа, когда ток очень мал). Это называется «отключением», а напряжение, при котором оно происходит, называется «напряжением отсечки». И наоборот, положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь (см. рисунок справа, когда есть канал проводимости и ток велик).

В n-канальном устройстве «расширенного режима» проводящий канал не существует естественным образом внутри транзистора, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение притягивает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала около затвора должно быть притянуто достаточное количество электронов, чтобы противостоять ионам легирующей примеси, добавленным в корпус полевого транзистора; это образует 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 активный канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией .

p-канальный полевой транзистор

[ редактировать ]

В p-канальном устройстве «режим истощения» положительное напряжение от затвора к телу расширяет истощенный слой, вытесняя электроны к границе раздела затвор-изолятор/полупроводник, оставляя открытой область без носителей неподвижных положительно заряженных ионов-акцепторов.

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

Влияние напряжения сток-исток на канал

[ редактировать ]

Для устройств в режиме улучшения или обеднения, при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора приведет к изменению сопротивления канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно напряжения 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» вблизи стокового конца канала. Если напряжение сток-исток увеличивается дальше, точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку. Говорят, 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. Промежуточную область иногда считают частью омической или линейной области, даже если ток стока не является примерно 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. Снова рассматривая n-канальное устройство в режиме улучшения, область истощения в корпусе p-типа существует , 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. Обедненная область свободна от носителей заряда и имеет сопротивление, подобное кремнию . Любое увеличение напряжения сток-исток приведет к увеличению расстояния 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 резистор, и может эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Состав

[ редактировать ]

Полевые транзисторы могут быть изготовлены из различных полупроводников, из которых кремний наиболее распространенным является . Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных массовых методы обработки полупроводников , использующие монокристаллическую полупроводниковую пластину 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), основанные на органических полупроводниках ; часто изоляторы и электроды затвора 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 полевые транзисторы на основе графена в интегральной схеме . [43] [44] Эти транзисторы способны работать на частоте среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов. [45]

Типы

[ редактировать ]
Полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях: JFET, поликремниевый MOSFET, MOSFET с двойным затвором, MOSFET с металлическим затвором, MESFET.
  Истощение
  Электроны
  Дыры
  Металл
  Изолятор
Вверху: источник, внизу: сток, слева: ворота, справа: объем. Напряжения, приводящие к образованию каналов, не показаны.

Канал полевого транзистора легируется n-типа для получения полупроводника или полупроводника p-типа. Сток и исток могут быть легированы типом, противоположным каналу, в случае полевых транзисторов в режиме улучшения, или легированы каналом того же типа, что и в полевых транзисторах в режиме обеднения. Полевые транзисторы различают также по способу изоляции канала и затвора. Типы полевых транзисторов включают в себя:

  • MOSFET изолятор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует ( обычно SiO 2 ) между затвором и корпусом. Это, безусловно, самый распространенный тип полевого транзистора.
    • DGMOSFET ( MOSFET с двумя затворами ) или DGMOS, MOSFET с двумя изолированными затворами.
    • IGBT ( биполярный транзистор с изолированным затвором ) — это устройство для управления мощностью. Он имеет структуру, подобную MOSFET, соединенному с биполярным основным каналом проводимости. Они обычно используются в диапазоне рабочих напряжений сток-исток 200–3000 В. Силовые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительными устройствами для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
    • JLNT ( беспереходный нанопроводной транзистор ) — это тип полевого транзистора (FET), канал которого представляет собой одну или несколько нанопроводов и не имеет каких-либо переходов.
    • В MNOS ( транзистор металл-нитрид-оксид-полупроводник ) используется изолятор из слоя нитрид-оксида между затвором и корпусом.
    • ISFET ; (ионочувствительный полевой транзистор) можно использовать для измерения концентрации ионов в растворе когда концентрация ионов (например, H + , см. pH-электрод ) изменится, соответственно изменится и ток через транзистор.
    • BioFET ( биологически чувствительный полевой транзистор) — это класс датчиков/биосенсоров, основанных на технологии ISFET , 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 ферментно-модифицированные полевые транзисторы (EnFET), иммунологически модифицированные полевые транзисторы (ImmunoFET), генно-модифицированные полевые транзисторы (GenFET), DNAFET , биополевые транзисторы на клеточной основе (CPFET), полевые транзисторы типа «жук/чип» (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 затвор, сделанный из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих нитей ДНК.
    • finFET , включая GAAFET или полевой транзистор с круговым затвором, используемый в процессорных чипах высокой плотности.
  • JFET . (переходный полевой транзистор) использует p-n-переход с обратным смещением для отделения затвора от корпуса
  • DEPFET представляет собой полевой транзистор, сформированный на полностью обедненной подложке и одновременно действующий как датчик, усилитель и узел памяти. Его можно использовать в качестве датчика изображения (фотонов).
  • FREDFET (эпитаксиальный диодный полевой транзистор с быстрым обратным или быстрым восстановлением) — это специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) основного диода, что делает его удобным для управления индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели , особенно средней мощности. бесщеточные двигатели постоянного тока .
  • HIGFET (полевой транзистор с гетероструктурой и изолированным затвором) сейчас используется в основном в исследованиях. [47]
  • MODFET (полевой транзистор с модуляционным легированием) представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов, в котором используется структура с квантовой ямой, образованная путем постепенного легирования активной области.
  • TFET ( туннельный полевой транзистор ) основан на межзонном туннелировании. [48]
  • TQFET (топологический квантовый полевой транзистор) переключает двумерный материал из бездиссипативного топологического изолятора (состояние «включено») в обычный изолятор (состояние «выключено») с помощью приложенного электрического поля. [49]
  • HEMT технологии ( транзистор с высокой подвижностью электронов ), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор), может быть изготовлен с использованием запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs . Полностью обедненный широкозонный материал образует изоляцию между затвором и корпусом.
  • MESFET p (полевой транзистор металл-полупроводник) заменяет – n-переход JFET барьером Шоттки ; и используется в GaAs и других полупроводниковых материалах III-V.
  • NOMFET . — это на основе наночастиц полевой транзистор с органической памятью [50]
  • GNRFET (полевой транзистор на основе графеновой наноленты) использует графеновую наноленту . в качестве канала [51]
  • VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой беспереходный полевой транзистор квадратной формы с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах. Двое ворот занимают другие углы и контролируют ток через щель. [52]
  • CNTFET ( полевой транзистор из углеродных нанотрубок ).
  • OFET ( органический полевой транзистор ) использует в своем канале органический полупроводник.
  • QFET ( квантовый полевой транзистор ) использует преимущества квантового туннелирования, чтобы значительно увеличить скорость работы транзистора за счет устранения области электронной проводимости традиционного транзистора.
  • SB-FET (полевой транзистор с барьером Шоттки) представляет собой полевой транзистор с металлическими контактными электродами истока и стока, которые создают барьеры Шоттки как на интерфейсах исток-канал, так и сток-канал. [53] [54]
  • GFET — это высокочувствительный полевой транзистор на основе графена, используемый в качестве биосенсоров и химических сенсоров . Благодаря двумерной структуре графена, а также его физическим свойствам, GFET обеспечивают повышенную чувствительность и уменьшают количество «ложных срабатываний» в сенсорных приложениях. [55]
  • В Fe FET между затвором используется сегнетоэлектрик , позволяющий транзистору сохранять свое состояние при отсутствии смещения — такие устройства могут иметь применение в качестве энергонезависимой памяти .
  • VTFET, или полевой транзистор с вертикальной передачей от IBM в 2021 году, , модификация finFET обеспечивающая более высокую плотность и меньшую мощность. [56]

Преимущества

[ редактировать ]

Полевые транзисторы имеют высокое сопротивление току затвор-сток, порядка 100 МОм и более, что обеспечивает высокую степень изоляции между управлением и потоком. Поскольку шум базового тока будет увеличиваться со временем формирования. [ нужны разъяснения ] , [57] Полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный транзистор (BJT), и используется в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители для ОВЧ и спутниковых приемников. Он не демонстрирует напряжения смещения при нулевом токе стока и является отличным прерывателем сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. [37]

Поскольку полевые транзисторы управляются зарядом затвора, как только затвор закрывается или открывается, дополнительного энергопотребления не происходит, как это было бы с биполярным переходным транзистором без фиксации или с реле в некоторых состояниях. Это обеспечивает чрезвычайно малое энергопотребление, что, в свою очередь, обеспечивает большую миниатюризацию цепей, поскольку потребность в рассеивании тепла снижается по сравнению с другими типами переключателей.

Недостатки

[ редактировать ]

Полевой транзистор имеет относительно низкое соотношение коэффициента усиления и полосы пропускания по сравнению с биполярным транзистором. МОП-транзисторы очень чувствительны к перенапряжению, что требует особого обращения во время установки. [58] Хрупкий изолирующий слой МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатического разряда или изменения порогового напряжения во время работы. Обычно это не является проблемой после установки устройства в правильно спроектированную схему.

Полевые транзисторы часто имеют очень низкое сопротивление «включено» и высокое сопротивление «выключено». Однако промежуточные сопротивления значительны, поэтому полевые транзисторы могут рассеивать большое количество мощности при переключении. Таким образом, эффективность может привести к быстрому переключению, но это может вызвать переходные процессы, которые могут возбуждать паразитные индуктивности и генерировать значительные напряжения, которые могут попасть на затвор и вызвать непреднамеренное переключение. Поэтому схемы на полевых транзисторах могут требовать очень тщательной компоновки и могут включать компромисс между скоростью переключения и рассеиваемой мощностью. Существует также компромисс между номинальным напряжением и сопротивлением «включенного» состояния, поэтому высоковольтные полевые транзисторы имеют относительно высокое сопротивление «включенного» состояния и, следовательно, потери проводимости. [59]

Режимы отказа

[ редактировать ]

Полевые транзисторы относительно надежны, особенно при эксплуатации в пределах температурных и электрических ограничений, установленных производителем (соответствующее снижение номинальных характеристик ). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут включать в себя корпусной диод . Если характеристики основного диода не принимаются во внимание, полевой транзистор может работать медленно, когда паразитный транзистор включается и позволяет пропускать большой ток от стока к истоку, когда полевой транзистор выключен. [60]

Использование

[ редактировать ]

Наиболее часто используемый полевой транзистор — это МОП-транзистор . ( Технология КМОП комплементарный металлооксидный полупроводник) является основой современных цифровых интегральных схем . В этой технологии 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 по каналу в любом направлении при работе в линейном режиме. Соглашение об именах стоковой клеммы и истоковой клеммы несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) строятся симметрично от истока к стоку. Это делает полевые транзисторы пригодными для переключения аналоговых сигналов между трактами ( мультиплексирование ). сконструировать твердотельный микшерный пульт Используя эту концепцию, можно , например, . 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).

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

Исток-закрытый транзистор

[ редактировать ]

Транзисторы с истоковым управлением более устойчивы к производственным и экологическим проблемам в электронике большой площади, такой как экраны дисплеев, но работают медленнее, чем полевые транзисторы. [61]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Лилиенфельд, Дж. Э. «Метод и устройство для управления электрическим током». Архивировано 9 апреля 2022 г. в Wayback Machine. Патент США №. 1745175 (подана: 8 октября 1926 г.; выдана: 28 января 1930 г.).
  2. ^ Jump up to: а б с Ли, Томас Х. (2003). Проектирование КМОП радиочастотных интегральных схем (PDF) . Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-1-139-64377-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2019 г. Проверено 20 июля 2019 г.
  3. ^ Jump up to: а б Пуэрс, Роберт; Бальди, Ливио; Вурде, Марсель Ван де; Нутен, Себастьян Э. ван (2017). Наноэлектроника: материалы, устройства, применение, 2 тома . Джон Уайли и сыновья . п. 14. ISBN  978-3-527-34053-8 .
  4. ^ Грундманн, Мариус (2010). Физика полупроводников . Спрингер Верлаг. ISBN  978-3-642-13884-3 .
  5. ^ Нисидзава, Дзюн-Ичи (1982). «Переходные полевые устройства». В Ситтиге, Роланд; Роггвиллер, П. (ред.). Полупроводниковые устройства для стабилизации напряжения . Спрингер. стр. 241–272. дои : 10.1007/978-1-4684-7263-9_11 . ISBN  978-1-4684-7265-3 .
  6. ^ Jump up to: а б с д Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Уайли и сыновья . п. 168. ИСБН  978-0-470-50892-3 .
  7. ^ «Основа современного цифрового мира: триумф МОП-транзистора» . Музей истории компьютеров . 13 июля 2010 г. Проверено 21 июля 2019 г.
  8. ^ Jump up to: а б Говард Р. Дафф (2001). «Джон Бардин и физика транзисторов». Материалы конференции AIP . Том. 550. стр. 3–32. дои : 10.1063/1.1354371 .
  9. ^ Ганс Камензинд (2005). Проектирование аналоговых микросхем .
  10. ^ Масуд, Хишам З. (1997). ULSI Наука и технологии/1997 . Электрохимическое общество. п. 43. ИСБН  978-1-56677-130-6 .
  11. ^ Лилиан Ходдесон (1994). «Исследование кристаллических выпрямителей во время Второй мировой войны и изобретение транзистора». История и технологии . 11 (2): 121–130. дои : 10.1080/07341519408581858 .
  12. ^ Майкл Риордан; Лилиан Ходдесон (1997). Хрустальный огонь: рождение информационного века . WW Нортон и компания. ISBN  978-0-393-04124-8 .
  13. ^ Кристоф Лекюйер; Дэвид С. Брук; Джей Ласт (2010). Создатели микрочипов: документальная история Fairchild Semiconductor . МТИ Пресс. стр. 62–63. ISBN  978-0-262-01424-3 .
  14. ^ Клейс, Кор Л. (2003). Интеграция процессов ULSI III: Материалы международного симпозиума . Электрохимическое общество . стр. 27–30. ISBN  978-1-56677-376-8 .
  15. ^ Лоек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media. п. 324. ИСБН  978-3-540-34258-8 .
  16. ^ Стефан Фердинанд Мюллер (2016). Разработка сегнетоэлектрической памяти на основе HfO2 для будущих узлов КМОП-технологии . ISBN  978-3-7392-4894-3 .
  17. ^ Б. Г. Лоу; Р.А. Сарин (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-4665-5401-6 .
  18. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). В эпоху цифровых технологий: исследовательские лаборатории, стартапы и развитие MOS-технологий . Издательство Университета Джонса Хопкинса. п. 22. ISBN  978-0-8018-8639-3 .
  19. ^ «Мартин Аталла в Зале славы изобретателей, 2009» . Проверено 21 июня 2013 г.
  20. ^ Jump up to: а б «Давон Кан» . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 27 июня 2019 г.
  21. ^ «1960 — Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  22. ^ Jump up to: а б Лоек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . стр. 321 –3. ISBN  978-3-540-34258-8 .
  23. ^ «960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  24. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое отверстие (ТСВ)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. дои : 10.1109/JPROC.2008.2007462 . ISSN   0018-9219 . S2CID   29105721 .
  25. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура» . ЭТаймс . 12 декабря 2018 года . Проверено 18 июля 2019 г.
  26. ^ «Кто изобрел транзистор?» . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 года . Проверено 20 июля 2019 г.
  27. ^ Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Эльзевир . п. 177. ИСБН  978-0-08-050804-7 .
  28. ^ Jump up to: а б «Выступление директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 года» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . 10 июня 2019 г. Проверено 20 июля 2019 г.
  29. ^ «1963: Изобретена дополнительная конфигурация МОП-схемы» . Музей истории компьютеров . Проверено 6 июля 2019 г.
  30. ^ Патент США № 3 102 230 , подан в 1960 г., выдан в 1963 г.
  31. ^ Д. Канг и С.М. Зе, «Плавающий вентиль и его применение в устройствах памяти», Технический журнал Bell System , том. 46, нет. 4, 1967, стр. 1288–1295.
  32. ^ Колиндж, JP (2008). FinFET и другие многозатворные транзисторы . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN  978-0-387-71751-7 .
  33. ^ Сэкигава, Тошихиро; Хаяси, Ютака (1 августа 1984 г.). «Расчет пороговых вольт-амперных характеристик ХМОП-транзистора, имеющего дополнительный нижний затвор». Твердотельная электроника . 27 (8): 827–828. Бибкод : 1984SSEle..27..827S . дои : 10.1016/0038-1101(84)90036-4 . ISSN   0038-1101 .
  34. ^ «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроува» . Премия IEEE Эндрю С. Гроува . Институт инженеров электротехники и электроники . Проверено 4 июля 2019 г. [ мертвая ссылка ]
  35. ^ «Революционное преимущество ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF) . Интел . 2014 . Проверено 4 июля 2019 г.
  36. ^ Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: McGraw-Hill International . п. 397. ИСБН  978-0-07-085505-2 .
  37. ^ Jump up to: а б Джейкоб Миллман (1985). Электронные устройства и схемы . Сингапур: МакГроу-Хилл. стр. 384–385. ISBN  978-0-07-085505-2 .
  38. ^ Галуп-Монторо, К.; Шнайдер, MC (2007). Моделирование MOSFET 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: Прентис Холл. стр. 315–316. ISBN  978-0-02-374910-0 .
  40. ^ Спенсер, Р.Р.; Гаузи, М.С. (2001). Микроэлектронные схемы . Река Аппер-Сэддл, штат Нью-Джерси: Pearson Education/Prentice-Hall. п. 102. ИСБН  978-0-201-36183-4 .
  41. ^ Седра, А.С.; Смит, К.К. (2004). Микроэлектронные схемы (Пятое изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 552 . ISBN  978-0-19-514251-8 .
  42. ^ PR Грей; Пи Джей Херст; С.Х. Льюис; Р. Г. Мейер (2001). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (Четвертое изд.). Нью-Йорк: Уайли. стр. §1.5.2 стр. 45. ИСБН  978-0-471-32168-2 .
  43. ^ Боб Йирка (10 января 2011 г.). «IBM создает первую интегральную схему на основе графена» . Физика.орг . Проверено 14 января 2019 г.
  44. ^ Лин, Ю.-М.; Вальдес-Гарсия, А.; Хан, С.-Дж.; Фермер, Д.Б.; Сан, Ю.; Ву, Ю.; Димитракопулос, К.; Гриль, А; Авурис, П; Дженкинс, К.А. (2011). «Интегральная схема графена в вафельном масштабе». Наука . 332 (6035): 1294–1297. Бибкод : 2011Sci...332.1294L . дои : 10.1126/science.1204428 . ПМИД   21659599 . S2CID   3020496 .
  45. ^ Бель Дюме (10 декабря 2012 г.). «Гибкий графеновый транзистор устанавливает новые рекорды» . Мир физики . Проверено 14 января 2019 г.
  46. ^ Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. Бибкод : 2002Ана...127.1137С . дои : 10.1039/B204444G . ПМИД   12375833 .
  47. ^ freepatentsonline.com , HIGFET и метод - Motorola]
  48. ^ Ионеску, AM; Риэль, Х. (2011). «Туннельные полевые транзисторы как энергоэффективные электронные переключатели». Природа . 479 (7373): 329–337. Бибкод : 2011Natur.479..329I . дои : 10.1038/nature10679 . ПМИД   22094693 . S2CID   4322368 .
  49. ^ Дюме, Изабель (12 декабря 2018 г.). «Топологический переключатель может создать новый тип транзистора» . Мир физики . Издательство ИОП . Проверено 16 января 2022 г.
  50. ^ «Органический транзистор открывает путь для новых поколений нейрокомпьютеров» . ScienceDaily . 29 января 2010 года . Проверено 14 января 2019 г.
  51. ^ Сарвари Х.; Гайур, Р.; Дастьерди, Э. (2011). «Частотный анализ полевого транзистора на основе графеновых нанолент с помощью неравновесной функции Грина в пространстве мод». Физика E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 43 (8): 1509–1513. Бибкод : 2011PhyE...43.1509S . дои : 10.1016/j.physe.2011.04.018 .
  52. ^ Ежи Рузылло (2016). Глоссарий по полупроводникам: ресурс для сообщества полупроводников . Всемирная научная. п. 244. ИСБН  978-981-4749-56-5 .
  53. ^ Аппенцеллер Дж. и др. (ноябрь 2008 г.). «На пути к нанопроводной электронике» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 55 (11): 2827–2845. Бибкод : 2008ITED...55.2827A . дои : 10.1109/тед.2008.2008011 . ISSN   0018-9383 . OCLC   755663637 . S2CID   703393 .
  54. ^ Пракаш, Абхиджит; Илатихамене, Хесамеддин; Ву, Пэн; Аппенцеллер, Йорг (2017). «Понимание управления контактами в транзисторах с барьером Шоттки из 2D-каналов» . Научные отчеты . 7 (1): 12596. arXiv : 1707.01459 . Бибкод : 2017НатСР...712596П . дои : 10.1038/s41598-017-12816-3 . ISSN   2045-2322 . OCLC   1010581463 . ПМК   5626721 . ПМИД   28974712 .
  55. ^ Миклош, Больца. «Что такое графеновые полевые транзисторы (GFET)?» . Графенея . Проверено 14 января 2019 г.
  56. ^ IBM Research представляет «VTFET»: революционную новую архитектуру микросхем, производительность которой в два раза выше finFET, декабрь 2021 г.
  57. ^ VIII.5. Шум в транзисторах
  58. ^ Аллен Моттерсхед (2004). Электронные устройства и схемы Сираджа . Нью-Дели: Прентис-Холл Индии. ISBN  978-81-203-0124-5 .
  59. ^ Бхалла, Ануп (17 сентября 2021 г.). «Происхождение SiC FET и их эволюция на пути к идеальному переключателю» . Новости силовой электроники . Проверено 21 января 2022 г.
  60. ^ Медленные отказы диодов полевых транзисторов (FET): практический пример .
  61. ^ Спорея, РА; Трейнор, MJ; Янг, Северная Дакота; Сильва, SRP (2014). «Транзисторы с истоковым управлением для повышения производительности на порядок в тонкопленочных цифровых схемах» . Научные отчеты . 4 : 4295. Бибкод : 2014NatSR...4E4295S . дои : 10.1038/srep04295 . ПМЦ   3944386 . ПМИД   24599023 .
[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы по теме полевых транзисторов .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Field-effect_transistor&oldid=1237708311#n-channel_FET"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0799ec27969f14a3be638a5507dd208b__1722386160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/07/8b/0799ec27969f14a3be638a5507dd208b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Field-effect transistor - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)