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
тройных твёрдых растворов
а также гетероструктур
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.
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 напряжениесмещающее
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
тем больше толщина обеднённого слоя. В пределах обеднённого слоя ток практически
течь не может. Поэтому увеличениесоответствует
сужению канала, по к-рому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение
на затворе, можно управлять током в канале. Чем большетем
толще обеднённый слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление
и тем меньше ток в канале. При достаточно большой величинеобеднённый
слой под затвором может полностью перекрыть канал, и ток в канале обратится
в нуль. Соответствующее напряжение
наз. напряжением отсечки. Ширина области объёмного заряда обратносмещён-ного
p - n-перехода
где е - заряд электрона,-
концентрация доноров в материале канала, e - диэлектрич. проницаемость
материала,диэлектрич.
постоянная, контактная
разность потенциалов в p - n-
переходе. Очевидно, толщина канала где
h - геом. толщина канала (рис. 2). Напряжение
отсечки находится
из условия
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 управляющимпереходом,
как правило, являются П. т. снормально открытым
каналом. Так принято наз. П. т., в к-рых при отсутствии напряжения на затвореканал
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 потенциаловпри
нулевом напряжении на затворе полностью обеднён носителями заряда, т. е. канал
практически закрыт. Рабочей областью входных сигналов таких П. т. являются отпирающие
значения
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.
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 глубокиеобласти
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 управляющимпереходом.
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
отсутствуетто
в МДП-тран-зисторе, показанном на рис. 4, отсутствует и канал (транзистор с
нормально закрытым каналом), а сам транзистор представляет собой два последовательно
включённыхперехода.
При любой полярности напряжения между истоком и стоком один из этих
переходов оказывается включённым в обратном направлении и ток в цепи исток -
сток практически равен нулю.
Если приложить к затвору напряжениев
такой полярности, как показано на рис. 4, то поле под затвором будет оттеснять
дырки и притягивать в под-затворную область электроны. При достаточно большом
напряженииназываемом
напряжением отпирания, под затвором происходит инверсия типа проводимости: вблизи
затвора образуется тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий
канал. При дальнейшем увеличениивозрастает
концентрация электронов в канале и сопротивление его уменьшается.
Осн. параметры П. т. Для П. т. характерно очень
высокое входное сопротивление по пост, току
Действительно, входной сигнал в П. т. подаётся
на затвор, сопротивление к-рого в П. т. с управляющим
переходом и ПТШ определяется сопротивлением обратно смещённого перехода
или сопротивлением барьера Шоттки, а в МДП-транзисторе - сопротивлением слоя
диэлектрика. Величинав
П. т. обычно превосходит 106 Ом, в нек-рых конструкциях достигает
1014 Ом. Входное сопротивление по перем. току практически определяется
ёмкостью затвора
В сверхвысокочастотных П. т. величина
пФ, в мощных низкочастотных П. т. величинапФ.
Усилит, свойства П. т. характеризуются крутизной
вольт-амперной характеристики 5, определяемой как отношение изменения тока между
истоком и стоком (тока стока)к
изменению напряжения на затворе
при пост, напряжении на стоке:
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. крутизны(отношения крутизны к ширине затвора В). Крутизна П. т. измеряется в сименсах, уд. крутизна - в сименсах/мм. В серийных П. т.См/мм. В лаб. разработках достигнуты значенияпри 300 К и при 77 К.
П. т. относятся к малошумящим приборам. Типичное
значение коэф. шума (см. Шумовая температура)серийных П. т.
дБ. Предельные ВЧ-свойства П. т. определяются
временем пролёта носителей под затвором tпр вдоль канала.
Макс, рабочая частота П. т. может быть оценена, как
где L - длина затвора (рис. 5). Величина
L в серийных П. т. составляет 0,5-10 мкм. В лаб. условиях широко исследуются
приборы смкм.
Величина uмакс в кремниевых приборах не превосходит дрейфовой
скорости насыщениясм/с
(см. Лавинно-пролётный диод ).В П. т. на основе соединенийпри
мкм важную роль играют т. н. баллис-тич. эффекты (движение носителей заряда
без столкновений на длине канала), за счёт к-рых величина
возрастает доПредельная
частота генерации П. т. превосходит 200
ГГц. Предельно малое время переключения
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 затворамкм,
время переключениянс,
энергия переключенияпДж.
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
получены
ГСЛ-транзисторы с временем переключения 5 пс и энергией переключенияДж.
Исследуются также ГСЛ-транзисторы с использованием др. гетеропар на основе соединений
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.
в к-ром баллистич. превышение скорости над максимально возможным равновесным
значением выражено значительно сильнее, чем вСерийные
СВЧ П. т. работают на частотах доЛаб.
разработки проводятся на частотах 90-110 ГГц. Предельная частота генерации (230
ГГц) получена в ГСЛ-транзисторах на основеизготовленных
с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.
Мощные П. т. работают при напряжении в цепи каналаВ
и коммутируемом токеТ.
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 основе
и Характерные
рабочие частоты мощных П. т. достигают величин МГц.
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: мкм
(1000).
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.
Др. разновидностью П. т., в к-ром достигается
уменьшение длины канала, является П. т. с канавкой
(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, части(рис.
7), а толщинойслоя
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].
М. Е, Левинштейн, Г. С. Симин