Полевые транзисторы. Их применение в цифровой технике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине Прикладная электроника

Тема: Полевые транзисторы. Их применение в цифровой технике. 

Специальность: (ДОТ) Компьютерные  
системы и комплексы

 

Научный  руководитель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 

Содержание

 

 

 

 

 

Введение ………………………………………………………………………………. 3

Глава 1. Технология изготовления и принципы функционирования транзисторов. Полевые транзисторы  . .……………………………………………………….……... 5

1.1. История возникновения полевых транзисторов ………………....……… 5

1.2. Классификация полевых транзисторов ………………………………..... 8

Заключение ……………………………………………………………….................. 19

Библиография …………………………………………………………………..….... 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

 

Актуальность темы. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы используются весьма широко в различных устройствах специальной и бытовой техники, таких, как плееры, телевизоры, автомобили, стиральные машины и компьютеры.

Полупроводниковые приборы прочно вошли в нашу жизнь, их характеристики продолжают совершенствоваться, а цена - снижаться. Особенно характерно это на примере компьютеров, когда сложность и характеристики современного компьютера значительно превышают возможности персональных компьютеров пятилетней давности. Прогресс в области вычислительной техники значительно превышает прогресс и в других областях техники. Например, невозможно представить улучшение характеристик автомобиля в пять раз (по мощности и скорости) за пять лет по той же самой цене. Тем не менее, когда речь идет о персональных компьютерах, такие ожидания вполне реальны.

Определяющим фактором такого прогресса является совершенствование технологии производства транзисторов и микросхем, их микроминиатюризация, в частности на основе полевых транзисторов. Характеристики этих устройств улучшаются год от года, потребляемая мощность снижается, их стоимость уменьшается.

Поэтому изучение физики работы таких приборов, технологии их производства и применения в различных областях является весьма актуальной темой.

Целями данной курсовой работы являются формирование научной основы для целенаправленного использования полученных знаний при создании элементов, приборов и устройств микроэлектроники, практическое освоение основных понятий, полупроводниковых устройств, в частности, полевых транзисторов, изучение основ создания электронной компонентной базы и ее применения для создания электронных устройств различного назначения.

Задачами курсовой работы являются практическое освоение основных понятий, расширение научного кругозора и эрудиции на базе изучения основ строения материалов и физики происходящих в них явлений, технологии материалов электронной и микроэлектронной техники, для последующего использования их при создании приборов твердотельной электроники и разработке технологии микроэлектроники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Технология изготовления и принципы

 функционирования транзисторов. Полевые транзисторы.

 

 

 

1. История возникновения полевых транзисторов

 

 

 

Идея полевого транзистора впервые была предложена Лилиенфельдом в 1926 - 1928 годах. Эти конфигурации транзисторов не были внедрены в производство по объективным причинам. Реальный работающий прибор был создан в 1960 году. Конструкция транзистора по патенту,  Лилиенфельда№ 1900018 представлен на Рис 1:

 

Рис.1. Полевой транзистор Лилиенфельда.

 

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором протекает ток, обусловленный носителями заряда одного типа. Протекание тока в полевом транзисторе осуществляется за счет действия управляющего электрического поля, направление которого перпендикулярно протеканию тока. В силу того, что ток в таких приборах обусловлен носителями одного типа (электронами или дырками), такие приборы называют униполярными. По принципу работы и конструкции полевые транзисторы условно можно разделить на два класса:

Первый - это транзисторы с управляющим p - n - переходом или переходом металл-полупроводник (барьер Шоттки);

Второй - транзисторы с управлением с помощью изолированного электрода (затвора), так называемые транзисторы МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник).

Можно выделить 4 основных направления: цифровые устройства и интегральные схемы, для общего применения, использование для создания СВЧ устройств и применение для создания устройств высокой мощности. Технология создания полевых транзисторов включает следующие основные направления:

●FinFET. Идея FET известна уже много лет. Наиболее ранние публикации по этой теме - это идеи Лилиенфилда (1926 г) и Хейла (1935г) - один из наиболее широко используемых типов полевых транзисторов. Это была первая конфигурация полевого транзистора, которая в дальнейшем будет совершенствоваться, что позволит использовать ее во многих областях электроники.

●MOSFET - полевой транзистор на основе MOS (металл-окисел-полупроводник) технологии имеет много преимуществ, как с точки зрения высокого входного сопротивления, так и рабочих характеристик в целом.

●VerticalMetalOxideSemiconductor - это разновидность мощного полевого транзистора типа MOSFET, он используется в областях, где требуются средние уровни мощности. Разработка и внедрение транзисторов данной конфигурации дали существенные преимущества по сравнению с применением биполярных транзисторов в различных областях от мощных источников питания до усилителей и переключателей средней мощности. Они также нашли применение как быстродействующие переключатели в интегральных схемах.                             

● UOSFET - полевой транзистор на основе МОП технологии, также разновидность мощного полевого транзистора типа MOSFET, по конфигурации он похож на VMOS.

● MOSFET это - немного более поздняя разработка по сравнению с VMOS, в которой усовершенствован тот же самый основной принцип со структурой в виде «канавки». Эти транзисторы применяются там, где требуются достаточно высокие мощности в устройствах питания, а также как мощные транзисторы в радиотехнических устройствах.

●UMOSFET  в состоянии обеспечить полезную функцию во многих относительно мощных заявлениях, и в электроснабжении и как транзисторы власти RF или Trenchgate.

●MOS - это также технология "trench", но она обеспечивает значительное улучшение по мощности по сравнению с предыдущими МОП технологиями. Устройства Trench MOS, позволяют разработчикам электроники разработать устройства с более благоприятными условиями теплообмена при более высоких скоростях управления током при тех же самых размерах чипа Fet или MESFET.

●MobilityTransistors - транзистор с высокой подвижностью электронов также называемый HFET или MODFET. Имеет чрезвычайно высокие характеристики в микроволновом диапазоне частот.

●HEMT обладает сочетанием очень низкого уровня шумов при работе на более  высоких частотах. Соответственно, он используется при разработке высокоэффективных СВЧ устройств, где требуется обеспечить низкий уровень шумов.

●Транзисторы PHEMT нашли широкое применение благодаря работе при больших мощностях, низких шумах и высоких характеристиках. Это позволяет широко использовать транзисторы PHEMT типа в системах спутниковой связи различного назначения, включая прямую трансляцию телевизионных каналов через спутник. Они также широко используются в общих системах спутниковой связи, а также радарах и микроволновых системах радиосвязи.

В 1935 году О. Хейлу в Англии был выдан патент на полевой транзистор:

Рис. 2 Схема из патента О. Хейла № 439457. Прототип полевого транзистора с изолированным затвором:

1- управляющий электрод (затвор);2 - тонкий слой полупроводника (теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия);3 (сток);4 (исток) - омические контакты к полупроводнику;5 - источник постоянного тока;6 - источник переменного напряжения;7 - амперметр.

 

В 1952 г. Шокли изобрел полевой транзистор с управляющим электродом. Эта конструкция представляла собой обратно смещенный p-n - переход  
(см. рис.3). Конструкция полевого транзистора имела полупроводниковый стержень n-типа с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника был применен кремний (Si). P-n-переход был сформирован на поверхности канала с противоположных сторон.P-n-переход формируется таким образом, чтобыон был параллелен направлению тока в канале. Основные носители заряда для данного канала - электроны, определяющие проводимость канала текут от истока к стоку. На рис. 3 - это отрицательный электрод.

 

Рис. 3 Полевой транзистор Шокли.

 

В 1963 г. Хофштейн и Хайман разработали полевой транзистора на основе МДП структур. С 1952 по 1970 г.г. эти транзисторы находились еще на лабораторной стадии разработки. В настоящее время эта технология одна из наиболее широко используемых для производства интегральных схем.

 

Вывод: благодаря идеи по созданию полевого транзистора, происходит быстрое развитие полупроводниковых приборов.

2. Классификация полевых транзисторов

 

 

Как уже упоминалось, полевые транзисторы условно можно разделить на  
2 группы.

К первой можно отнести транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл - полупроводник, ко второй - транзисторы с управляющим изолированным электродом (затвором), транзисторы МДП или МОП.

Рис.4. Классификация полевых транзисторов

 

В 1966 году Мидом была создана и реализована третья конструкция полевых транзисторов (с барьером Шоттки).

 

• Транзисторы с управляющим p - n переходом.

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала р - n переходом, смещённым в обратном направлении. Поскольку полевой транзистор управляется с помощью электрического поля, не с помощью протекающего тока, то он обладает крайне высоким входным сопротивлением порядка сотен ГОм и даже ТОм (биполярный транзистор имеет сотни КОм). Поскольку носителями электрического заряда в полевых транзисторах являются только электроны или только дырки их иногда называют униполярными.

Рис. 5. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Как видно из рисунка транзистор имеет два контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, Кроме этого, у него есть один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 5). Если изменить обратное напряжение на p-n переходе, то изменится его толщина. В этом случае изменится толщина области, по которой протекает основных носителей заряда.

Область полупроводника, по которой протекают основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора, проводимость которого может быть как n-, так и p-типа.

Названия электродов сток и исток - условны. Для отдельного полевого транзистора, который не поставлен в электрическую схему, не имеет значения какие контакты корпуса сток и исток. Все зависит от положения транзистора в цепи. Поскольку полевые транзисторы различаются по типу проводимости с n-каналом и р-каналом, то в связи с этим полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, имеют разный знак, т.е. противоположны. Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа и p-типа изображено на рисунке 6.

 

Рис. 6. Графическое обозначение полевого транзистора.

 

Принцип действия полевого транзистора состоит в следующем. При подаче на затвор запирающего напряжения между стоком и истоком создаётся продольное электрическое поле, которое обеспечивает движение основных носителей зарядов, создающих ток стока. Если напряжение на затворе равно нулю, p-n переходы закрыты, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. Если приложить напряжение к затвору, ширина p-n переходов возрастает, а ширина канала и ток стока уменьшаются. При достаточно большом напряжении на затворе ток стока может упасть до нуля, из-за увеличения ширины p-n переходов до их полного слияния. Это напряжение называется напряжением отсечки. По принципу действия полевой транзистор подобен вакуумному триоду. Это управляемый полупроводниковый прибор, в котором при изменении напряжение на затворе уменьшается ток стока и поэтому полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

 

• Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).

Эти приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП - металл-диэлектрик-полупроводник или МОП - металл-окисел-полупроводник. МДП - транзисторы могут быть двух видов: