Felteffekt transistor

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 3. januar 2022; verifikation kræver 21 redigeringer .

En felttransistor (unipolær)  er en halvlederenhed , hvis funktionsprincip er baseret på styring af den elektriske modstand af en ledende kanal af et tværgående elektrisk felt skabt af en spænding påført porten .

Området, hvorfra ladningsbærere forlader kanalen, kaldes source , området, hvor de forlader kanalen, kaldes drain , elektroden, som styrespændingen påføres, kaldes gate .

Historien om felteffekttransistorer

I 1953 foreslog og implementerede George Clement Daisy og Ross designet af en felteffekttransistor - med en kontrol- pn-forbindelse .

For første gang blev ideen om at regulere strømmen af ​​hovedbærere med et elektrisk felt i en isoleret gatetransistor foreslået af Lilienfeld i 1926-1928. Men vanskeligheder med at implementere denne idé i praksis gjorde det muligt at skabe den første fungerende enhed først i 1960. I 1966 Carver Meadforbedret dette design ved at shunte elektroderne på en sådan enhed med en Schottky-diode .

I 1977 fandt James McCullaham fra Bell Labs ud af, at brugen af ​​felteffekttransistorer kunne øge ydeevnen af ​​eksisterende computersystemer markant.

Klassifikation af felteffekttransistorer

Felteffekttransistorer er klassificeret i enheder med en kontrol-pn-junction og med en isoleret gate, de såkaldte MOS ("metal-dielectric-semiconductor") transistorer, som også kaldes MOS ("metal-oxid-semiconductor") transistorer. , og sidstnævnte er opdelt i transistorer med en indbygget kanal og enheder med en induceret kanal.

De vigtigste parametre for felteffekttransistorer inkluderer: indgangsmodstand, transistorens indre modstand, også kaldet output, stejlhed af drænkarakteristikken, afskæringsspænding og nogle andre.

Transistorer med kontrol-pn-kryds

En felteffekttransistor med en kontrol -pn-junction [1]  (JFET) er en felteffekttransistor, hvor en halvlederplade, f.eks. n-type (fig. 1), har elektroder (source og drain) modsat. ender, hvormed den indgår i det kontrollerede kredsløb. Styrekredsløbet er forbundet med den tredje elektrode (gate) og er dannet af et område med en anden type ledningsevne, i eksemplet i figuren - p-type.

En konstant forspændingskilde inkluderet i inputkredsløbet skaber en omvendt (blokerende) spænding ved en enkelt pn-forbindelse. Kilden til det forstærkede signal er også inkluderet i indgangskredsløbet. Når indgangsspændingen ændres, ændres den omvendte spænding ved pn-krydset, og derfor ændres tykkelsen af ​​det udtømte lag , det vil sige tværsnitsarealet af regionen i krystallen, gennem hvilken strømmen af ​​hovedladningsbærerne bærer passerer ændringer. Dette område kaldes en kanal.

Felteffekttransistorelektroder kaldes:

Typen af ​​halvlederkonduktivitet af kanalen kan være enten n- eller p-type. I henhold til typen af ​​kanalledningsevne skelnes felteffekttransistorer med en n-kanal og en p-kanal. Polariteterne af forspændingerne påført elektroderne på transistorer med n- og p-kanaler er modsatte.

Styringen af ​​strømmen og spændingen på belastningen, forbundet i serie til felteffekttransistorens kanal og strømkilden, udføres ved at ændre indgangsspændingen , som et resultat af hvilken omvendt spænding ved pn-forbindelsen ændres , hvilket fører til en ændring i tykkelsen af ​​det blokerende (udtømte) lag. Ved en bestemt blokeringsspænding vil kanalens tværsnitsareal blive lig med nul, og strømmen gennem transistorkanalen bliver meget lille.

Da den omvendte strøm af pn-forbindelsen er meget lille, i statisk tilstand eller ved lave driftsfrekvenser, er effekten taget fra signalkilden ubetydelig. Ved høje frekvenser kan strømmen taget fra signalkilden være betydelig og går til at genoplade transistorens indgangskapacitans.

Således ligner felteffekttransistoren, hvad angår princippet om strømstyring, en elektrisk vakuumlampe - en triode , men med hensyn til typen af ​​drain-source strøm-spændingskarakteristika er den tæt på et elektrisk vakuum pentode . Med denne analogi ligner kilden i en felteffekttransistor katoden på en vakuumtriode, porten er som et gitter, og afløbet er som en anode. Der er også forskelle, f.eks.

En felteffekttransistor adskiller sig fra en bipolær transistor, for det første i driftsprincippet: i en bipolær transistor styres udgangssignalet af en indgangsstrøm og i en felteffekttransistor af en indgangsspænding eller elektrisk felt. For det andet har felteffekttransistorer væsentligt højere indgangsmodstande , hvilket skyldes den omvendte forspænding af gate-pn-forbindelsen i den type felteffekttransistorer, der overvejes. For det tredje har felteffekttransistorer et lavt støjniveau (især ved lave frekvenser) sammenlignet med bipolære transistorer, da der ikke er nogen indsprøjtning af mindre ladningsbærere i felteffekttransistorer , og felteffekttransistorkanalen kan laves inde i en halvlederkrystal . Bærerekombinationsprocesser i pn-forbindelsen og i bunden af ​​en bipolær transistor , såvel som generations-rekombinationsprocesser på overfladen af ​​en halvlederkrystal, genererer lavfrekvent støj.

Isolerede gate-transistorer (MIS-transistorer)

En isoleret gate-felteffekttransistor (MOSFET) er en felteffekttransistor, hvis gate er elektrisk isoleret fra kanalen af ​​et dielektrisk lag .

I en halvlederkrystal med en relativt høj resistivitet, som kaldes et substrat, skabes to stærkt doterede områder med den modsatte type ledningsevne i forhold til substratets. Disse områder er dækket af metalelektroder - kilde og afløb. Afstanden mellem kilde- og drænområdet kan være mindre end en mikron. Overfladen af ​​en halvlederkrystal mellem kilden og drænet er dækket med et tyndt lag (i størrelsesordenen 0,1 µm) af et dielektrikum . Da den indledende halvleder for felteffekttransistorer sædvanligvis er silicium , anvendes et lag siliciumdioxid SiO 2 , dyrket på overfladen af ​​en siliciumkrystal ved højtemperaturoxidation, som et dielektrikum. En metalelektrode, en gate, er afsat på det dielektriske lag. Det viser sig en struktur bestående af et metal, et dielektrikum og en halvleder. Derfor kaldes isolerede gate-felteffekttransistorer ofte MIS-transistorer.

Indgangsmodstanden for MIS-transistorer kan nå op på 10 10 ... 10 14 Ohm (for felteffekttransistorer med en kontrol-pn-junction 10 7 ... 10 9 ), hvilket er en fordel ved konstruktion af højpræcisionsenheder.

Der er to typer MOS-transistorer: med en induceret kanal og med en indlejret kanal.

I MIS-transistorer med en induceret kanal (fig. 2, a) er der ingen ledende kanal mellem de stærkt doterede source- og drain-områder, og derfor optræder en mærkbar drænstrøm kun ved en bestemt polaritet og ved en bestemt værdi af gate spænding i forhold til kilden, som kaldes tærskelspændingen ( U Zipor ).

I MOS-transistorer med en indbygget kanal (fig. 2, b), nær overfladen af ​​halvlederen under porten ved nul gate-spænding i forhold til kilden, er der et omvendt lag - en kanal, der forbinder kilden til drænet .

Vist i fig. De 2 isolerede gate FET-strukturer har et ledende substrat af n-type. Derfor har stærkt doterede områder under kilden og drænet, såvel som de inducerede og indbyggede kanaler, elektrisk ledningsevne af p-type. Hvis lignende transistorer er skabt på et substrat med p-type elektrisk ledningsevne, så vil deres kanal have n-type elektrisk ledningsevne.

MIS transistorer med en induceret kanal

Når portspændingen i forhold til kilden er nul, og når der påføres spænding til drænet, er drænstrømmen ubetydelig. Det repræsenterer den omvendte strøm af pn-forbindelsen mellem substratet og det stærkt doterede drænområde. Ved et negativt potentiale ved gate (for strukturen vist i fig. 2, a), som et resultat af indtrængning af det elektriske felt gennem det dielektriske lag ind i halvlederen ved lave spændinger ved gate (mindre end U 3 og th ) ), et lag, der er udtømt i hovedbærerne, vises nær overfladen af ​​halvlederen under porten ( felteffekt ) og et rumladningsområde bestående af ioniserede ukompenserede urenhedsatomer. Ved portspændinger større end U ZIpor vises et omvendt lag ved halvlederoverfladen under porten , som er en p-type kanal, der forbinder kilden med drænet. Kanalens tværsnit vil ændre sig med en ændring i portspændingen, og drænstrømmen vil ændre sig i overensstemmelse hermed, det vil sige strømmen i belastningskredsløbet og en relativt kraftig strømkilde.

På grund af det faktum, at porten er adskilt fra substratet af et dielektrisk lag, er strømmen i portkredsløbet ubetydelig, og den strøm, der forbruges fra signalkilden i portkredsløbet og er nødvendig for at styre den relativt store drænstrøm, er også lille . En MIS-transistor med en induceret kanal kan således forstærke elektromagnetiske svingninger i spænding og effekt.

Princippet om effektforstærkning i MIS-transistorer kan betragtes ud fra et synspunkt om at overføre energien fra et konstant elektrisk felt (energien fra strømkilden i udgangskredsløbet) til et vekslende elektrisk felt ved hjælp af ladningsbærere. I MIS-transistoren, før kanalen dukkede op, faldt næsten al spændingen af ​​strømforsyningen i afløbskredsløbet på halvlederen mellem kilden og afløbet, hvilket skabte en relativt stor konstant komponent af den elektriske feltstyrke. Under påvirkning af spændingen på porten vises en kanal i halvlederen under porten, langs hvilken ladningsbærere - huller - bevæger sig fra kilden til drænet . Huller, der bevæger sig i retning af den konstante komponent af det elektriske felt, accelereres af dette felt, og deres energi stiger på grund af energien fra strømkilden i drænkredsløbet. Samtidig med udseendet af kanalen og udseendet af mobile ladningsbærere i den, falder drænspændingen, det vil sige, at den øjeblikkelige værdi af den variable komponent af det elektriske felt i kanalen er rettet modsat den konstante komponent. Derfor bremses huller af et vekslende elektrisk felt, hvilket giver det en del af deres energi.

MIS transistorer med indbygget kanal

På grund af tilstedeværelsen af ​​en indbygget kanal i en sådan MIS-transistor (fig. 2, b), når spænding påføres drænet, viser drænstrømmen sig at være signifikant selv ved nul gate-spænding (fig. 3, b) ). Kanalens tværsnit og ledningsevne vil ændre sig, når gatespændingen ændres, både negativ og positiv polaritet. Således kan en MOS-transistor med en indbygget kanal fungere i to tilstande: i berigelsestilstanden og i tilstanden for udtømning af kanalen af ​​ladningsbærere. Denne egenskab ved MOS-transistorer med en indbygget kanal afspejles også i forskydningen af ​​de statiske outputkarakteristika, når gatespændingen og dens polaritet ændres (fig. 3).

De statiske overføringskarakteristika (fig. 3, b) kommer ud af punktet på abscissen svarende til afskæringsspændingen U ZIots , det vil sige spændingen mellem porten og kilden til MIS-transistoren med en integreret kanal, der arbejder i udtømningen tilstand, hvor drænstrømmen når en forudbestemt lav værdi.

Beregningsformler afhængig af spændingen U zi

1. Transistor lukket

Tærskelværdi for MIS-transistorspænding

2. Parabolsk snit.

- specifik stejlhed af transistorens overføringskarakteristik.

3. Yderligere stigning fører til en overgang til et fladt niveau:

 er Hovstein- ligningen MIS-strukturer til særlige formål

I strukturer af typen metal-nitrid-oxid-halvleder (MNOS) er dielektrikumet under porten lavet af to lag: et oxidlag SiO 2 og et tykt lag af nitrid Si 3 N 4 . Elektronfælder dannes mellem lagene, som, når en positiv spænding (28-30 V) påføres MNOS-strukturens gate, fanger elektroner, der tunnelerer gennem et tyndt SiO2- lag . De negativt ladede ioner, der dannes, øger tærskelspændingen, og deres ladning kan opbevares i op til flere år i mangel af strøm, da SiO 2 -laget forhindrer ladningslækage. Når en stor negativ spænding (28…30 V) påføres porten, absorberes den akkumulerede ladning, hvilket reducerer tærskelspændingen betydeligt.

Floating-gate metal-oxid-halvleder (MOS) strukturer med lavineinjektion ( LISMOS ) har en port lavet af polykrystallinsk silicium isoleret fra andre dele af strukturen. Lavinenedbrydningen af ​​pn-forbindelsen af ​​substratet og drænet eller kilden, hvortil der påføres en højspænding, tillader elektroner at trænge gennem oxidlaget til porten, som et resultat af hvilket en negativ ladning vises på den. Dielektrikkens isolerende egenskaber gør det muligt at bevare denne ladning i årtier. Fjernelsen af ​​elektrisk ladning fra porten udføres ved hjælp af ioniserende ultraviolet bestråling med kvartslamper, mens fotostrømmen tillader elektroner at rekombinere med huller.

Efterfølgende blev strukturerne af lagringsfelteffekttransistorer med en dobbelt gate udviklet. Gaten, der er indbygget i dielektrikummet, bruges til at lagre ladningen, der bestemmer enhedens tilstand, og den eksterne (almindelige) gate, styret af bipolære impulser, bruges til at tilføje eller fjerne ladning på den indbyggede (interne) gate. Sådan opstod celler, og derefter flash-hukommelseschips, som har vundet stor popularitet i disse dage og er blevet en betydelig konkurrent til harddiske i computere.

For at implementere meget store integrerede kredsløb (VLSI) blev der skabt ultraminiature-felteffektmikrotransistorer. De er lavet ved hjælp af nanoteknologi med en geometrisk opløsning på mindre end 100 nm. I sådanne enheder når tykkelsen af ​​gate-dielektrikumet flere atomlag. Der anvendes forskellige, herunder tre-gate strukturer. Enhederne fungerer i mikrostrømtilstand. I moderne Intel-mikroprocessorer varierer antallet af enheder fra snesevis af millioner til 2 milliarder. De nyeste felteffektmikrotransistorer er lavet på anstrengt silicium, har en metalgate og bruger et nyt patenteret materiale til gate-dielektrikum baseret på hafniumforbindelser [2] .

I det sidste kvarte århundrede er kraftige felteffekttransistorer, hovedsageligt af MOS-typen, blevet udviklet hurtigt. De består af mange laveffektstrukturer eller strukturer med en forgrenet portkonfiguration. Sådanne højfrekvens- og mikrobølgeenheder blev først skabt i USSR af V. V. Bachurin (siliciumenheder) og V. Ya. Vaksemburg (galliumarsenid-enheder) fra Pulsar Research Institute . Studiet af deres impulsegenskaber blev udført af den videnskabelige skole af prof. Dyakonova V. P. (Smolensk afdeling af MPEI). Dette åbnede op for udviklingen af ​​kraftfulde nøgle (puls) felteffekttransistorer med specielle strukturer med høje driftsspændinger og strømme (separat op til 500-1000 V og 50-100 A). Sådanne enheder styres ofte af lave (op til 5 V) spændinger, har lav on-state modstand (op til 0,01 Ω) for højstrøms enheder, høj stejlhed og korte (nogle til titusinder af ns) skiftetider. De mangler fænomenet med bærerakkumulering i strukturen og det mætningsfænomen, der er iboende i bipolære transistorer. På grund af dette erstatter højeffekt-felteffekttransistorer med succes højeffekts bipolære transistorer inden for lav- og mellemeffekteffektelektronik [3] [4] .

I løbet af de sidste årtier har teknologien med højmobilitetselektrontransistorer (HEM) udviklet sig hurtigt i udlandet , som er meget udbredt i mikrobølgekommunikation og radioovervågningsenheder. Både hybride og monolitiske mikrobølgeintegrerede kredsløb bliver skabt på basis af HDPE . Driften af ​​TVET er baseret på kanalstyring ved hjælp af en todimensionel elektrongas , hvis region er skabt under gatekontakten på grund af brugen af ​​en heterojunction og et meget tyndt dielektrisk lag - en spacer [5] .

Skemaer til at tænde felteffekttransistorer

Felteffekttransistoren i signalforstærkningstrinnet kan tændes i henhold til et af tre hovedskemaer: med en fælles kilde (OI), et fælles afløb (OS) og en fælles gate (OZ).

I praksis, ved forstærkning af kaskader, bruges oftest et RI-kredsløb, svarende til kredsløbet på en bipolær transistor med en fælles emitter (CE). Common-source-kaskaden giver en stor effektforstærkning. Men på den anden side er denne kaskade den mest lavfrekvente på grund af den skadelige påvirkning af Miller-effekten og den betydelige gate-source input kapacitans ( Czi ) .

Ordningen med OZ ligner ordningen med fælles base (OB). I dette kredsløb er drænstrømmen lig med kildestrømmen, så den giver ikke strømforstærkning, og effektforstærkningen i den er mange gange mindre end i OI-kredsløbet. OZ-kaskaden har en lav indgangsimpedans, og derfor har den en specifik praktisk anvendelse inden for forstærkningsteknologi. Fordelen ved denne inklusion er den næsten fuldstændige undertrykkelse af Miller-effekten, som gør det muligt at øge den maksimale forstærkningsfrekvens, og sådanne kaskader bruges ofte i mikrobølgeforstærkning .

Kaskaden med OS svarer til kaskaden med en fælles kollektor (OK) for en bipolær transistor - en emitterfølger . Et sådant stadie omtales ofte som en kildefølger . Spændingsforstærkningen i dette kredsløb er altid lidt mindre end 1, og effektforstærkningen tager en mellemværdi mellem OI og OI. Dette trin har fordelen ved en meget lav indgangsparasitisk kapacitans og bruges ofte som et bufferisolationstrin mellem en højimpedanssignalkilde såsom en piezosensor og efterfølgende forstærkningstrin. Med hensyn til bredbåndsegenskaber indtager denne kaskade også en mellemposition mellem OI og OI.

Anvendelser af FET'er

CMOS-strukturer , bygget af et komplementært par felteffekttransistorer med kanaler af forskellige (p- og n-) typer, er meget udbredt i digitale og analoge integrerede kredsløb .

På grund af det faktum, at felteffekttransistorer styres af feltet (den spænding, der påføres porten), og ikke af strømmen, der løber gennem basen (som i bipolære transistorer), bruger felteffekttransistorer meget mindre energi, hvilket er især vigtigt i kredsløbene af ventende og sporingsenheder, såvel som i lavt forbrug og energibesparende ordninger (implementering af dvaletilstande).

Fremtrædende eksempler på felteffekttransistorenheder er armbåndsure og fjernbetjeninger til tv . På grund af brugen af ​​CMOS-strukturer kan disse enheder fungere i op til flere år fra en miniaturestrømkilde - batterier eller akkumulatorer , fordi de praktisk talt ikke forbruger energi.

I øjeblikket bliver felteffekttransistorer i stigende grad brugt i forskellige radioenheder, hvor de med succes erstatter bipolære. Deres brug i radiotransmissionsenheder gør det muligt at øge frekvensen af ​​bæresignalet, hvilket giver sådanne enheder høj støjimmunitet. Med lav modstand i åben tilstand bruges de i de sidste faser af højeffekt lydfrekvenseffektforstærkere ( Hi-Fi ), hvor de med succes erstatter bipolære transistorer og vakuumrør. Isolerede gate bipolære transistorer ( IGBT'er ), enheder, der kombinerer bipolære transistorer og felteffekttransistorer, bruges i højeffektapplikationer, såsom softstartere , hvor tyristorer med succes udskiftes .

Ordninger

  • Typer af felteffekttransistorer og deres grafiske symboler

Se også

Noter

  1. ↑ I. P. Zherebtsov . Grundlæggende om elektronik. Ed. 5. - L., 1989. - S. 114.
  2. ↑ Dyakonov, 2004 .
  3. ↑ Bachurin, Waxembourg, Dyakonov et al., 1994 .
  4. ↑ Dyakonov, Maksimchuk, Remnev, Smerdov, 2002 .
  5. ↑ Li, 2006 .

Litteratur

  • Dyakonov V.P. Intel. De nyeste informationsteknologier. Præstationer og mennesker. - M. : SOLON-Press, 2004. - 416 s. — ISBN 5980031499 .
  • Bachurin V. V., Vaksemburg V. Ya., Dyakonov V. P. et al. Kredsløb af enheder på kraftige felteffekttransistorer: En håndbog / Dyakonov V. P.. - M . : Radio og kommunikation, 1994. - 280 s.
  • Dyakonov V. P., Maksimchuk A. A., Remnev A. M., Smerdov V. Yu. Encyclopedia of devices on field-effect transistors / Dyakonov V. P. - M . : SOLON-R, 2002. - 512 s.
  • Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. - Anden version. - Springer, 2006. - 708 s. - ISBN 978-0-387-28893-2 .
  • Nemchinov V. M., Nikitaev V. G., Ozhogin M. A. et al. Forstærkere med felteffekttransistorer / Stepanenko I. P. - M . : Sovjetisk radio, 1980. - 192 s.
 Transistor forstærkere
Bipolære transistorer
FET'er
  • med fælles afløb 
  • med en fælles kilde 
  • med fælles lukker
Transistortrin