Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР - транзистор, в к-ром управление протекающим через него током осуществляется электрич. полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы П. т., 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 П. т. гл. обр. из Si и GaAs; исследуются также П. т. на основе тройных твёрдых растворов а также гетероструктур

и др.

Если канал П. т.- 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 напряжение смещающее 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 увеличение соответствует сужению канала, по к-рому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током в канале. Чем больше тем толще обеднённый слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление и тем меньше ток в канале. При достаточно большой величине обеднённый 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 управляющим переходом, как правило, являются П. т. снормально открытым каналом. Так принято наз. П. т., в к-рых при отсутствии напряжения на затворе канал 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 потенциалов при 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 глубокие области 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 управляющим переходом.

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 отсутствует то в МДП-тран-зисторе, показанном на рис. 4, отсутствует и канал (транзистор с нормально закрытым каналом), а сам транзистор представляет собой два последовательно включённых перехода. 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 напряжение в такой полярности, как показано на рис. 4, то поле под затвором будет оттеснять дырки и притягивать в под-затворную область электроны. При достаточно большом напряжении называемом напряжением отпирания, под затвором происходит инверсия типа проводимости: вблизи затвора образуется тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий канал. При дальнейшем увеличении возрастает 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. Величина в 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. величина пФ.

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 значения при 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 t _пр 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 с мкм. Величина u _макс в кремниевых приборах не превосходит дрейфовой скорости насыщения см/с (см. Лавинно-пролётный диод). В П. т. на основе соединений при мкм важную роль играют т. н. баллис-тич. эффекты (движение носителей заряда без столкновений на длине канала), за счёт к-рых величина возрастает до Предельная 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 затвора мкм, время переключения нс, энергия переключения пДж. 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 переключения Дж. 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 в Серийные СВЧ П. т. работают на частотах до Лаб. разработки проводятся на частотах 90-110 ГГц. Предельная частота генерации (230 ГГц) получена в ГСЛ-транзисторах на основе изготовленных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.

Мощные П. т. работают при напряжении в цепи канала В и коммутируемом токе Т. 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 толщиной слоя 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].

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

М. Е, Левинштейн, Г. С. Симин.