к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Полевой транзистор

Полевой транзистор - транзистор ,в к-ром управление протекающим через него током осуществляется электрич. полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы полевого транзистора, сформулированный в 1920-х гг., поясняется на рис. 1. Тонкая пластинка полупроводника (канал) снабжена двумя омич. электродами (истоком и стоком). Между истоком и стоком расположен третий электрод - затвор. Напряжение, приложенное между затвором и любым из двух др. электродов (истоком или стоком), приводит к появлению в подзатворной области канала электрпч. поля. Влияние этого поля приводит к изменению кол-ва носителей заряда в канале вблизи затвора и, как следствие, изменяет сопротивление канала.

Изготовляются полевые транзисторы гл. обр. из Si и GaAs; исследуются также полевые транзисторы на основе 4001-86.jpg тройных твёрдых растворов 4001-87.jpg а также гетероструктур

4001-88.jpg и др.

Если канал полевого транзистора - полупроводник n-тнпа, то ток в нём переносится электронами, входящими в канал через исток, к к-рому в этом случае прикладывается отри-цат. потенциал, н выходящими из канала через сток.

4001-90.jpg

Если канал П.т.- полупроводник р-типа, то к истоку прикладывается положит, потенциал, а к стоку - отрицательный. При любом типе проводимости канала ток всегда переносится носителями заряда только одного знака: либо электронами, либо дырками, поэтому П. т. наз. иногда униполярными транзисторами.

Различают 2 осн. типа П. т. К первому типу относят П. т., в к-рых затвором служит r - re-переход (П. т. с управляющим r - h-переходом) или барьер металл - полупроводник (Шоттки барьер). Ко второму типу относят П. т., в к-рых металлич. электрод затвора отделён от канала тонким слоем диэлектрика, - П. т. с изолированным затвором.

Идея, лежащая в основе работы П. т. с затвором в виде p - n-перехода, высказана в нач. 50-х гг. У. Шок-ли (W. Shockley, США). Она поясняется на рис. 2. Под металлич. электродом затвора П. т. сформирован р-слой, так что между затвором и любым из двух др, электродов П. т. существует p - n-переход. Толщина канала d, по к-рому ток может протекать между истоком и стоком, зависит от напряжения, приложенного к затвору. Между истоком и затвором прикладывается напряжение4001-91.jpgсмещающее p - n-переход в запорном направлении (в П. т. с каналом h-типа это условие соответствует "минусу" на затворе). Тогда под затвором возникает обеднённый слой (см. p - n-переход ),имеющий очень высокое сопротивление. Чем больше напряжение 4001-92.jpg тем больше толщина обеднённого слоя. В пределах обеднённого слоя ток практически течь не может. Поэтому увеличение4001-93.jpgсоответствует сужению канала, по к-рому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током в канале. Чем больше4001-94.jpgтем толще обеднённый слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление и тем меньше ток в канале. При достаточно большой величине4001-95.jpgобеднённый слой под затвором может полностью перекрыть канал, и ток в канале обратится в нуль. Соответствующее напряжение 4001-96.jpg наз. напряжением отсечки. Ширина области объёмного заряда обратносмещён-ного p - n-перехода 4001-97.jpg где е - заряд электрона,4001-98.jpg- концентрация доноров в материале канала, e - диэлектрич. проницаемость материала,4001-99.jpgдиэлектрич. постоянная, 4001-100.jpgконтактная разность потенциалов в p - n-

переходе. Очевидно, толщина канала 4001-101.jpgгде h - геом. толщина канала (рис. 2). Напряжение отсечки 4001-102.jpgнаходится из условия 4001-103.jpg

4001-104.jpg

Принцип работы П. т. с затвором в виде барьера Шоттки (ПТШ) аналогичен. Разница лишь в том, что обеднённый слой в канале под затвором создаётся приложением запорного напряжения к контакту металл - полупроводник.

ПТШ и П. т. с управляющим4001-105.jpgпереходом, как правило, являются П. т. снормально открытым каналом. Так принято наз. П. т., в к-рых при отсутствии напряжения на затворе4001-106.jpgканал открыт и между истоком и стоком возможно протекание тока. В цифровых устройствах для снижения потребляемой мощности применяют также нормально закрытые П. т. В этих приборах толщина канала h настолько мала, что канал под действием кон-тактной разности потенциалов4001-107.jpgпри нулевом напряжении на затворе полностью обеднён носителями заряда, т. е. канал практически закрыт. Рабочей областью входных сигналов таких П. т. являются отпирающие значения4001-108.jpg

В П. т. с изолиров. затвором между каналом П. т. и металлич. электродом затвора размещается тонкий слой диэлектрика (рис. 3, 4). Поэтому такие П. т. наз. МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник; см. МДП-структура ).Часто в МДП-тран-зисторе слоем диэлектрика служит окисел на поверхности полупроводника. В этом случае П. т. наз. МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник). Первые МДП-транзисторы появились в сер. 50-х гг.

4001-109.jpg


МДП-транзисторы могут быть как с нормально открытым, так и с нормально закрытым каналами. МДП-транзистор с нормально открытым, встроенным каналом показан на рис. 3 на примере МДП-транзистора с каналом re-типа. Транзистор выполнен на подложке р-типа. Сверху подложки методами диффузии, ионной имплантации или эпитаксии формируются проводящий канал re-типа и две глубокие4001-110.jpgобласти для создания омич. контактов в области истока и стока. Область затвора представляет собой конденсатор, в к-ром одной обкладкой служит металлич. электрод затвора, а другой - канал П. т. Если между затвором и каналом приложить напряжение, то в зависимости от его знака канал будет обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. Соответственно, сопротивление канала будет уменьшаться или возрастать. В показанной на рис. 3 МДП-структуре с каналом n-типа напряжение, "плюс" к-рого приложен к затвору, а "минус" - к каналу (истоку или стоку), вызывает обогащение электронами приповерхностного слоя полупроводника под затвором. Обратная полярность напряжения на затворе вызывает обеднение канала электронами аналогично П. т. с управляющим4001-111.jpgпереходом.

Для работы МДП-транзистора принципиально важно, чтобы поверхность раздела диэлектрик - полупроводник под затвором имела низкую плотность электронных поверхностных состояний. В противном случае изменение напряжения на затворе может приводить не к изменению концентрации носителей в канале, а лишь к перезарядке поверхностных состояний.

МДП-транзистор с индуциров. каналом показан на рис. 4. Из сравнения рис. 3 и 4 видно, что этот транзистор отличается от МДП-транзистора со встроенным каналом отсутствием n-слоя под затвором. Если напряжение на затворе отсутствует4001-112.jpgто в МДП-тран-зисторе, показанном на рис. 4, отсутствует и канал (транзистор с нормально закрытым каналом), а сам транзистор представляет собой два последовательно включённых4001-113.jpgперехода. При любой полярности напряжения между истоком и стоком один из этих 4001-114.jpg переходов оказывается включённым в обратном направлении и ток в цепи исток - сток практически равен нулю.

Если приложить к затвору напряжение4001-115.jpgв такой полярности, как показано на рис. 4, то поле под затвором будет оттеснять дырки и притягивать в под-затворную область электроны. При достаточно большом напряжении4001-116.jpgназываемом напряжением отпирания, под затвором происходит инверсия типа проводимости: вблизи затвора образуется тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий канал. При дальнейшем увеличении4001-117.jpgвозрастает концентрация электронов в канале и сопротивление его уменьшается.

Осн. параметры П. т. Для П. т. характерно очень высокое входное сопротивление по пост, току4001-118.jpg

Действительно, входной сигнал в П. т. подаётся на затвор, сопротивление к-рого в П. т. с управляющим 4001-120.jpg переходом и ПТШ определяется сопротивлением обратно смещённого 4001-121.jpgперехода или сопротивлением барьера Шоттки, а в МДП-транзисторе - сопротивлением слоя диэлектрика. Величина4001-122.jpgв П. т. обычно превосходит 106 Ом, в нек-рых конструкциях достигает 1014 Ом. Входное сопротивление по перем. току практически определяется ёмкостью затвора4001-123.jpg В сверхвысокочастотных П. т. величина 4001-124.jpg пФ, в мощных низкочастотных П. т. величина4001-125.jpgпФ.

Усилит, свойства П. т. характеризуются крутизной вольт-амперной характеристики 5, определяемой как отношение изменения тока между истоком и стоком (тока стока)4001-126.jpgк изменению напряжения на затворе 4001-127.jpg при пост, напряжении на стоке:

4001-128.jpg

При неизменной структуре прибора крутизна растёт прямо пропорционально ширине затвора В (рис. 5). Поэтому при сравнении усилит, свойств разл. типов П. т. используется понятие уд. крутизны4001-129.jpg(отношения крутизны к ширине затвора В). Крутизна П. т. измеряется в сименсах, уд. крутизна - в сименсах/мм. В серийных П. т.4001-131.jpgСм/мм. В лаб. разработках достигнуты значения4001-132.jpgпри 300 К и 4001-133.jpg при 77 К.


4001-130.jpg


П. т. относятся к малошумящим приборам. Типичное значение коэф. шума (см. Шумовая температура)серийных П. т.4001-134.jpg дБ. Предельные ВЧ-свойства П. т. определяются временем пролёта носителей под затвором tпр вдоль канала. Макс, рабочая частота П. т. может быть оценена, как4001-135.jpg где L - длина затвора (рис. 5). Величина L в серийных П. т. составляет 0,5-10 мкм. В лаб. условиях широко исследуются приборы с4001-136.jpgмкм. Величина uмакс в кремниевых приборах не превосходит дрейфовой скорости насыщения4001-137.jpgсм/с (см. Лавинно-пролётный диод ).В П. т. на основе соединений4001-138.jpgпри 4001-139.jpg мкм важную роль играют т. н. баллис-тич. эффекты (движение носителей заряда без столкновений на длине канала), за счёт к-рых величина 4001-140.jpg возрастает до4001-141.jpgПредельная частота генерации П. т. превосходит 200 ГГц. Предельно малое время переключения4001-142.jpg

Осн. разновидности П. т. По областям применения все П. т. можно условно разбить на 4 осн. группы: П. т. для цифровых устройств и интегральных схем (ЦУ и ИС), П. т. общего применения, сверхвысокочастотные П. т. и мощные П. т.

П. т., предназначенные для работы в ЦУ и ИС, должны обладать малыми габаритами, высокой скоростью переключения и мин. энергией переключения. Серийные П. т. для ЦУ и ИС в наст, время изготовляются в осн. из Si и характеризуются следующими параметрами: длина затвора4001-143.jpgмкм, время переключения4001-144.jpgнс, энергия переключения4001-145.jpgпДж. Лучшие результаты получены с использованием П. т. на основе гетерострук-тур с селективным легированием (ГСЛ) [3, 4]. В ГСЛ-транзисторах, называемых также транзисторами с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), используются свойства двумерного электронного газа, образующегося в нек-рых гетероструктурах на границе узкозонного и широкозонного слоев гетеропары. С использованием гетеропары 4001-146.jpg получены ГСЛ-транзисторы с временем переключения 5 пс и энергией переключения4001-147.jpgДж. Исследуются также ГСЛ-транзисторы с использованием др. гетеропар на основе соединений4001-148.jpg

Осн. требование к сверхвысокочастотным П. т. состоит в достижении макс, мощности или коэф. усиления на предельно высокой частоте. Продвижение в область высоких частот требует уменьшения длины затвора и макс, использования баллистич. эффектов для достижения высокой скорости носителей. Для изготовления сверхвысокочастотных П. т. в наст, время используется в осн.4001-149.jpg в к-ром баллистич. превышение скорости над максимально возможным равновесным значением выражено значительно сильнее, чем в4001-150.jpgСерийные СВЧ П. т. работают на частотах до4001-151.jpgЛаб. разработки проводятся на частотах 90-110 ГГц. Предельная частота генерации (230 ГГц) получена в ГСЛ-транзисторах на основе4001-152.jpgизготовленных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.

Мощные П. т. работают при напряжении в цепи канала4001-153.jpgВ и коммутируемом токе4001-154.jpgТ. к. мощность на единицу рабочей площади структуры принципиально ограничена необходимостью отводить тепло, мощные П. т. имеют большую общую длину электродов. Часто используется встречно-штыревая система электродов [2]. Мощные П. т. изготовляются на основе4001-155.jpg и 4001-156.jpg Характерные рабочие частоты мощных П. т. достигают величин 4001-157.jpgМГц.

Новые разновидности П. т. Транзисторы с проницаемой базой (ТПБ) предложены в 1979 и, по оценкам, способны, в принципе, повысить рабочую частоту П. т. до 1012 Гц (1 ТГц). Носители заряда в канале ТПБ движутся не вдоль поверхности полупроводниковой плёнки, а перпендикулярно ей. Длина канала, и следовательно время пролёта носителей, в ТПБ могут быть значительно уменьшены в сравнении с планар-ным П. т. При планарной конструкции мин. размер затвора L определяется возможностями рентг. или электронно-лучевой микролитографии: 4001-158.jpgмкм

(10004001-159.jpg). Предельно малая величина L в ТПБ определяется толщиной плёнки, к-рая может быть получена в совр. установке молекулярно-пучковой эпитаксии, и составляет неск. атомных слоев.

Электроны в ТПБ (рис. 6) движутся от истока к стоку в направлении, перпендикулярном поверхности плёнки. Затвором служит металлич. сетка, "погружённая" в толщу полупроводниковой структуры ТПБ. По принципу действия ТПБ аналогичен ПТШ. Между металлич. сеткой и полупроводником возникает барьер Шоттки. Толщина обеднённой области вблизи проводников сетки определяется напряжением на затворе. Если толщина обеднённой области меньше расстояния между проводниками сетки, канал открыт и электроны свободно движутся к стоку. При достаточно большом напряжении обеднённые области перекрываются - канал закрыт. Осн. проблема создания ТПБ состоит в получении качеств, границы раздела металл - полупроводник. ТПБ имеет большое сходство с электронной лампой, в к-рой управляющим электродом является металлич. сетка.

4001-160.jpg

Др. разновидностью П. т., в к-ром достигается уменьшение длины канала, является П. т. с 4001-161.jpgканавкой (рис. 7), к-рый по принципу действия представляет собой МДП-тран-зистор с индуциров. каналом. Однако длина канала в такой структуре определяется не размером канавки в её верх, части4001-162.jpg(рис. 7), а толщиной4001-163.jpgслоя и углом между склонами канавки и слоями П. т. Длина затвора в такой конструкции может быть в неск. раз меньшей, чем в планарном П. т. Изготовление П. т. с V-канавкой основано на анизотропии травления Si и GaAs при определ. ориентации поверхности полупроводниковой структуры.

Нек-рые др. типы быстродействующих транзисторов рассмотрены в [3, 4].

Литература по физике полевых транзисторов

  1. Кроуфорд Р., Схемные применения МОП-транзисторов, пер. с англ., М., 1970;
  2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1984;
  3. Пожела Ю., Юценев., Физика сверхбыстродействующих транзисторов, Вильнюс, 1985;
  4. Шур М., Современные приборы на основе арсенида галлия, пер. с англ., М., 1991.

М. Е, Левинштейн, Г. С. Симин

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 28.02.2021 - 21:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Фурсова - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:57: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:56: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:55: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:54: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
28.02.2021 - 18:54: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
27.02.2021 - 19:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Амары Ельской - Карим_Хайдаров.
27.02.2021 - 18:43: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
27.02.2021 - 18:42: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.02.2021 - 18:42: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
27.02.2021 - 18:41: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution