4.4 История развития полевых транзисторов
4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.
Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6
Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.
В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл
Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:
1 – управляющий электрод
2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия)
3,4 – омические контакты к полупроводнику
5 – источник постоянного тока
6 – источник переменного напряжения
Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.
Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме «BTL» (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в «BTL», а в 1946 г. туда же пришел Бардин.
В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n – перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор.
Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.
В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:
1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.
2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.
3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.
ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
12.1. Классификация полевых транзисторов (ПТ). Принцип действия полевого транзистора.
12.2. Структура и принцип действия ПТ с управляющим p–n- переходом и барьером Шоттки. Статические ВАХ и параметры в схеме с общим истоком.
12.1. Классификацияполевыхтранзисторов. Принципдействияполевоготранзистора.
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, управление током которого основано на зависимости электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.
Полупроводниковый прибор ( рис. 12.1 ), напоминающий современный МОП-транзистор (транзистор со структурой металл–окисел–полупроводник), способный усиливать электрические колебания, был запатентован американским исследователем Юлиусом Лалиенфельдом в 1925 г.
У. Шокли и А. Пирсоном были проведены опыты, в которых полупроводником служил германий, а диэлектриком – тонкая пластинка слюды. Исследования привели к отрицательному результату, так как лишь ~10 % наведенного у поверхности полупроводника заряда участвовало в модуляции проводимости. В настоящее время известно, что причиной этого являются поверхностные состояния в полупроводнике (уровни Тамма).
Металл Воздушный зазор
Полупроводник n- типа
Рис. 12.1. Конструкция прибора, запатентованного Ю. Лалиенфельдом
Электроника. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
12.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора.
Изобретение биполярного транзистора в 1948 г. не прекратило попыток создать полевой транзистор. Первое успешное решение было предложено У. Шокли в 1952 г. Он предложил создавать p–n- переход в глубине пластины, где нет поверхностных состояний и, подавая на него обратное напряжение, модулировать сопротивление полупроводникового слоя.
Полевые транзисторы являются униполярными приборами, так как в них используются только основные носители заряда – либо электроны, либо дырки.
Слой полупроводника, в котором протекает ток, называется каналом . Электрическое поле, воздействующее на поток носителей, создается с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого затвором .
Рис. 12.2. Условные обозначения различных типов полевых транзисторов: (И– исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим p–n -переходом (1 – с n- каналом, 2
– с p- каналом); 3, 4 – МОП-транзисторы со встроенным каналом (соответственно с n- каналом и p- каналом); 5, 6 – МОП-транзисторы с индуцированным каналом (с n- каналом
и p- каналом); 7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки (7 – с n- каналом, 8 – с p- каналом)
В настоящее время существуют три основных разновидности полевых транзисторов:
полевые транзисторы с управляющим p–n- переходом;
полевые транзисторы со структурой металл–окисел–полупроводник или МОП-транзисторы;
полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).
Условные обозначения различных разновидностей полевых транзисторов на электрических схемах приведены на рис. 12.2 .
Электроника. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.
12.2. Структураипринципдействияполевого транзисторасуправляющим p–n- переходоми полевоготранзисторасбарьеромШоттки.
Структура полевого транзистора с управляющим p–n- переходом показана на рис. 12.3 . На подложке из p- кремния создается тонкий слой полупроводника n- типа, выполняющий функции канала. На концах канала находятся сильно легированные n + — области, называемые истоком и стоком соответственно, с помощью которых канал включается в цепь управляемого тока. Под металлическим электродом затвора находится p + — слой, образующий с каналом p–n- переход.
Исток Затвор Сток
Рис. 12.3. Структура полевого транзистора
с управляющим p–n- переходом
Полевые транзисторы с барьером Шоттки, структура которых показана на рис. 12.4 , имеют принцип действия такой же, как транзисторы с управляющим p–n- переходом. Поэтому ниже рассматриваются полевые транзисторы с управляющим p–n- переходом.
Рис. 12.4. Структура полевого транзистора
с барьером Шоттки
Электроника. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.
Прикладывая к затвору обратное напряжение U зи , можно изменять ширину обедненной области р–n- перехода. Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем, соответственно, меньше поперечное сечение канала, где протекает ток. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит и сопротивление канала. В результате будет меняться величина тока стока I c , протекающего по каналу и выходной цепи транзистора под воздействием приложенного напряжения сток-исток U си . Поскольку величина выходного тока (тока стока) может быть достаточно большой, а входной ток затвора (ток обратно смещенного р–n- перехода) мал, то обеспечивается усиление по току и по мощности.
Связь между током стока и напряжениями на стоке U си и затворе U зи определяется с помощью семейства статических выходных (стоковых) вольтамперных характеристик, выражающих зависимость I с = f ( U си ) при U зи = const ( рис. 12.5, а ). Управляющее действие затвора иллюстрируют статические передаточные ( сток–затворные ) вольт-амперные характеристики ( рис. 12.5, б ), выражающие зависимость I с = f ( U зи ) при U си = const. На ВАХ полевого транзистора можно выделить три области: линейную и насыщения и отсечки .
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад