Полевой транзистор

ЗМІСТ 

Вступ………………………………………………………………………………….3

Розділ 1 ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ……………………………………………………………………..4

1. Загальна характеристика і класифікація………………………………...4
2. Конструктивно-технологічні особливості і типи структур…………….4
3. Принцип роботи польового транзистора………………………………..6
4. Вибір знаків напруги МДН-транзисторі………………………………...8
5. Статичні характеристики МДН-транзистора…………………………..10
6. Вплив типу каналу на вольт-амперні характеристики………………..14
7. Еквівалентна схема і швидкодія МДН-транзистора…………………..15

Розділ 2 ГАЛУЗІ ВИКОРИСТАННЯ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ………….18

     2.1 Підсилювачі на основі польових транзисторів………………………...18

     2.2 Використання польових транзисторів в схемах переривників……….21

     2.3 Польові транзистори в схемах спеціальних генераторів……………...23

     2.4 Використання тонкоплівкового транзистора з бар’єром Шотткі…….25

     ВИСНОВКИ………………………………………………………………….28

     ЛІТЕРАТУРА………………………………………………………………...29

 

ВСТУП 

     В сучасній електроніці спостерігається бурхливий ріст виробництва потужних польових транзисторів. В процесі їхнього розвитку вони за допустимою напругою, струмам і потужностями досягли рівня сучасних потужних біполярних транзисторів. Досягнута теплостійкість і відсутність вторинного пробою підвищили надійність, а також забезпечили простоту іх паралельного включення у випадку курування більш потужними сигналами [1]

     Традиційна  структура польового транзистора  забезпечила зменшення довжини  затвору від 10 мкм до 60 нм шляхом простого масштабування, тобто зміною товщини діелектрика і глибини  залягання p-n-переходу.

      Із  зменшення геометричних розмірів транзистора  знижується площа кристалу, зменшуються  паразитні ємності, підвищується швидкодія  і зменшується енергоспоживання БІС [2]

     Зараз комерційно доступною є технологія з мінімальними горизонтальними розмірами елементів 0,13 мкм, що дозволила реалізувати масове виробництво мікропроцесорів Intel Pentium 4 з тактовою частотою більше 2,5 ГГц на МОН-транзисторі з довжиною каналу 60 нм і товщиною оксиду підзатвору 1,5 нм.

     Кожен технологічний крок у напрямі зменшення розмірів зв'язаний із зростанням проблем конструювання і виробництва, які доводиться вирішувати для забезпечення теоретично прогнозованих характеристик транзистора. Будь-яке поліпшення одних параметрів приводить до погіршення інших, причому із зменшенням розмірів взаємний вплив параметрів стає усе більш сильним [3,4].

     Мета  роботи полягає у вивченні фізичних принципів функціонування польових транзисторів, їх класифікації, будови, робочих параметрів і характеристик, галузей застосування.

 

     

Розділ 1 ФІЗИЧНІ ПРИНЦИП ФУНКЦІОНУВАННЯ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ 

1. Загальна характеристика і класифікація

 

    Польовий  транзистор (ПТ) - це транзистор, в якого  провідність каналу між витоком  і стоком змінюється залежно від  прикладеної до заслону напруги, а струм дрейфу проходить у каналі під дією електричного поля між витоком і стоком.

    До  польових транзисторів належать інтегровані  метал-діелектрик-напівпровідник польові  транзистори (МДНПТ), польові транзистори  з керувальним р-n-переходом, польові транзистори з керувальним переходом метал-напівпровідник (МЕНПТ). Більшість сучасних цифрових інтегрованих мікросхем і значну частку аналогових виготовляють на польових транзисторах з ізольованим заслоном - МДНПТ. Це пов'язано з тим, що вони мають маленькі розміри, просту технологію виробництва, високий вхідний опір і хороші перемикальні властивості, а також можуть виконувати функції резисторів або конденсаторів. За основними конструктивно-технологічними та електричними показниками вони мають переваги перед біполярними транзисторами.

    Площа сучасного інтегрованого МДНПТ  становить приблизно 25 мкм², що на порядок менше, ніж площа біполярного інтегрованого транзистора. Завдяки своїм перевагам МДНПТ став основним елементом великих інтегрованих мікросхем (ВІС), на одному кристалі яких можна розмістити близько 10 транзисторів. У свою чергу, ВІС є елементами ЕОМ, систем зв'язку та телебачення, інформаційно-вимірювальних систем, систем управління, транспортних систем та ін. [5]. 

    1.2 Конструктивно-технологічні особливості і типи структур 

    Польові, або уніполярні, транзистори в  якості основного фізичного принципу використовують ефект поля. На відміну  від біполярних транзисторів, у яких два типи носіїв, як основні так  і не основні, являються відповідальними  за транзисторний ефект, в польових транзисторах для реалізації транзисторного ефекту застосовується тільки один тип носіїв. По цій причині польові транзистори називають уніполярними. В залежності від умов реалізації ефекту поля польові транзистори діляться на два класи: польові транзистори з ізольованим затвором і польові транзистори з затвором у вигляді p-n-переходу.

    До  польових транзисторів з ізольованим затвором відносяться МДН-транзистори, МНОН-елементи пам'яті, МДН-транзистори з плаваючим затвором, прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ-структури), МДН-фотоприймачі. До польових транзисторах із затвором у вигляді p-n-переходу відносяться транзистори з затвором у вигляді бар'єру Шотткі, із затвором у вигляді звичайного p-n-переходу і з затвором у вигляді гетеропереходу. Відзначимо, що в якості дискретних елементів розроблено і застосувують МДН-транзистори і транзистори з затвором у вигляді звичайного p-n-переходу. Решта типів польових транзисторів використовуються тільки в інтегральному виконанні як фрагменти інтегральних схем.

    Розглянемо  на прикладі МДН-транзистора основні елементи структури польових транзисторів (рис. 1.1) 

    

 

    Рисунок 1.1 – Топологія і основні елементи МДН-транзистора [6] 

      Термін  «МДН-транзистор» використовується для позначення польових транзисторів. У яких управляючий електрод – затвор, відділений від активної області польового транзистора діелектричним прошарком – ізолятором. Основним елементом для цих транзисторів є структура метал-діелектрик-напівпровідник. По цій причині в назві транзистора використовується абревіатура МДН. Монокристалічний напівпровідник n- або p-типу, на якому виготовляється МДН-транзистор, має назву підкладки.

    Дві сильнолеговані області протилежного з підкладкою типу провідності отримали назву виток и сток. Область  напівпровідникової підкладки, яка  знаходиться під затвором між витоком і стоком, називається каналом. Діелектричний шар, розташований між затвором і каналом, отримав назву підзатворного діелектрика.

    В якості напівпровідникової підкладки  в більшості МДН-транзисторів використовується GaAs і підзатворний діелектрик. Канал в цих приладах може бути як індукованим так і вмонтованим. [6] 

3.   Принцип роботи польового транзистора

 

    Фізичною  основою роботи польового транзистора  із структурою метал-діелектрик-напівпровідник є ефект поля. Ефект поля полягає  в тому, що під дією зовнішнього електричного поля змінюється концентрація вільних носіїв заряду в приповерхневій області напівпровідника. У польових приладах зі структурою МДН зовнішнє поле обумовлено прикладеною напругою на металевий електрод - затвор. У залежності від знаку і величини прикладеної напруги можуть бути чотири стану області просторового заряду (ОПЗ) напівпровідника - збагачення, збіднення, слабка і сильна інверсія. Польові транзистори в активному режимі можуть працювати тільки в області слабкої або сильної інверсії, тобто в тому випадку, коли інверсійний канал між витоком і стоком відділений від квазінейтрального об’єму підкладки областю збіднення [7].

    Польовий  транзистор відноситься до типу приладів, керованих напругою. Зазвичай електрод витоку є загальним, і відносно нього визначаються величина і знак прикладеної напруги і протікаючого струму. Напруга на затворі МДН-транзистора позначається V_G, на стоці транзистора - V_DS, на підкладці - V_SS. Струм, що протікає між витоком і стоком, позначається I_DS, струм у колі «затвор - канал» - I_G. Для польових транзисторів з ізольованим затвором струм затвора малий і складає величини пікоампер. З цієї причини потужність, що витрачається на реалізацію транзисторного ефекту в первинному колі, практично нульова [8].

Рисунок 1.2 - МДН-транзистор з індукованим каналом в рівноважних умовах:

    а - напруга на затворі відсутня V_G = 0;

    б - напруга на затворі більше порогової напруги V_G> V_T [8] 

    В області інверсії концентрація неосновних носіїв заряду в інверсійному каналі вище, ніж концентрація основних носіїв в об'ємі напівпровідника. Напруга на затворі V_G, при якій відбувається формування інверсійного каналу, називається пороговою напругою і позначається V_T. Змінюючи величину напруги на затворі V_G в області вище порогової напруги, можна змінювати концентрацію вільних носіїв у інверсійному каналі і тим самим модулювати опір каналу R_i. Джерело напруги в стоковому колі V_DS викличе зміну відповідно до зміни опору каналу R_i струму стоку I_DS, і тим самим буде реалізований транзисторний ефект. Нагадаємо, що транзисторний ефект полягає у зміні струму або напруги у вторинному колі, викликаному змінами струму або напруги в первинному колі. Зазначимо, що струм в колі «виток - канал - сток» I_DS обумовлений тільки одним типом носіїв, тобто дійсно МДН-транзистор є уніполярних приладом. Оскільки області витоку і стоку сильно леговані, то вони не мають впливу на струм каналу, а лише забезпечують контакт до області каналу [9].

    Таким чином, МДН-транзистор є опором, регульованим зовнішньою напругою. До нього навіть більшою мірою, ніж до біполярним приладів, підходить історична назва «транзистор», тому що слово «transistor» утворене від двох англійських слів - «transfer» і «resistor», що перекладається як «перетворюючий опір» [10]. 

4.   Вибір знаків напруги МДН-транзисторі

 

    Електрод  витоку є загальним і відносно нього визначаються величина і знак прикладеної напруги і протікаючого струму. Розглянемо на прикладі n-канального МДН-транзистора з індукованим каналом, яким чином вибираються величина і знак напруги на затворі, стоці і підкладці, що забезпечують роботу МДН-транзистора в активному режимі.

    Для МДН-транзистора з індукованим n-каналом  при нульовій напрузі на затворі V_G = 0 канал між витоком і стоком відсутній. Для формування каналу необхідно подати напругу на затвор V_G такого знаку, щоб на поверхні напівпровідника сформувався інверсійний шар. Для n-канального транзистора (напівпровідникова підкладка p-типу) знак напруги V_G в цьому випадку повинен бути позитивним. Напруга на затворі V_G, при якій відбувається формування інверсійного каналу, називається пороговою напругою і позначається V_T. Отже, величина напруги на затворі V_G в активній області повинна бути більша, ніж значення порогової напруги: 0 < V_T < V_G.

    Напруга, подана на сток VD_S, викликає рух електронів в інверсійному шарі між витоком і стоком. З точки зору транзисторного ефекту байдуже, в якому напрямку в каналі будуть рухатися носії. Але в той же час напруга VDS, прикладена до стоку, - це напруга, прикладена до стокового n +-p-переходу. При позитивному знаку V_DS  > 0 це відповідає зворотному зміщення стокового n+-p-переходу, а при негативному знаку V_DS < 0 це відповідає прямому зміщення p-n - переходу «сток - підкладка". У випадку прямого зміщення p-n - переходу «сток – підкладка» в колі стоку буде текти додатково до струму каналу ще й великий струм прямозміщенного p-n - перехода, що затруднить реєстрацію струму каналу.

    У разі зворотного зміщення p-n - переходу «сток – підкладка» паразитний струм буде складати наноампери і буде дуже малий. Таким чином, знак напруги на стоці V_DS потрібно вибирати так, щоб стоковий перехід був зміщений у зворотному напрямку. Для n-канальних транзисторів ця умова відповідає V_DS > 0, а для p-канальних транзисторів V_DS < 0. На рис. 1.3 показана схема p-канального МДН-транзистора в області плавного каналу [11].