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 в своей работе используют либо электроны (n-канал), либо дырки (p-канал) в качестве носителей заряда , 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).
.jpg/1280px-Julius_Edgar_Lilienfeld_(1881-1963).jpg)
Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована физиком австро-венгерского происхождения Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году [1] и Оскаром Хайлем в 1934 году, но они не смогли создать работающий практический полупроводниковый прибор на основе концепция. Транзисторный эффект позже наблюдали и объяснили Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн , работая под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия патента . Первоначально Шокли пытался создать рабочий полевой транзистор, пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и соединениями германия и меди . В ходе попыток понять загадочные причины неудачи в создании рабочего полевого транзистора это привело к тому, что Бардин и Брэттейн вместо этого изобрели точечный транзистор в 1947 году, за которым в 1948 году последовал биполярный переходной транзистор Шокли . 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 рассмотрения JFET Шокли в 1952 году Джордж К. Дейси и Ян М. Росс в 1953 году построили работающий практический JFET. [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 в массовом производстве , 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 технологии биполярных переходных транзисторов (BJT). [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 влияние 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 привели их к замене электролита 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 распространялись по Bell Labs в виде записок 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 в качестве диэлектрика затвора использовался монооксид германия , но он не стал реализовывать эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал полевой транзистор с двойным затвором . В марте 1957 года в своей лабораторной записной книжке Эрнесто Лабате, 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]
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] MOSFET в значительной степени вытеснил как биполярный транзистор, так и JFET, [2] и имел глубокое значение. влияние на развитие цифровой электроники . [23] [22] Благодаря своей высокой масштабируемости , [24] и значительно более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у биполярных транзисторов, [25] МОП-транзисторы позволили 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 коммуникационных технологиях (например, в смартфонах ). [28] Ведомство США по патентам и товарным знакам называет это «новаторским изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [28]
КМОП (дополнительный МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для МОП-транзисторов, был разработан Чи-Танг Са и Фрэнком Ванлассом из Fairchild Semiconductor в 1963 году . [29] [30] Первый отчет о МОП-транзисторах с плавающим затвором был сделан Давоном Кангом. и Саймон Сзе в 1967 году. [31] МОП -транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 году исследователями Электротехнической лаборатории Тошихиро Сэкигава и Ютака Хаяши. [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 ] ]
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]
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, длина 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.
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.
В n-канальном устройстве «режим 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 .
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 с «режимом улучшения» p-канала проводящая область не существует, и для создания канала проводимости необходимо использовать отрицательное напряжение.
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, движение носителей не блокируется. Снова рассматривая n-канальное устройство в режиме улучшения, в корпусе p-типа существует область истощения , 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 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 изготовлены из различных полупроводников, из которых наиболее распространенным является кремний . Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием традиционных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.
Среди наиболее необычных материалов корпуса — аморфный кремний , поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органические полевые транзисторы (OFET), 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]
Канал полевого транзистора легируется для получения полупроводника n-типа 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:
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 [ необходимы пояснения ] , [57] полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный транзистор (BJT), и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители для ОВЧ . и спутниковые ресиверы. Он не имеет 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 или с реле без фиксации в некоторых состояниях. Это обеспечивает коммутацию с чрезвычайно низким энергопотреблением, что, в свою очередь, обеспечивает большую миниатюризацию цепей, поскольку потребность в рассеивании тепла снижается по сравнению с другими типами переключателей.
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 обращения. 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]
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 проходить высокому току от стока к истоку, когда полевой транзистор выключен. [60]
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 условно, поскольку устройства обычно (но не всегда) строятся симметрично от истока к стоку. Это делает полевые транзисторы пригодными для переключения аналоговых сигналов между трактами ( мультиплексирование ). Используя эту концепцию, можно , например, сконструировать твердотельный микшерный пульт . 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.
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]
