Полевой транзистор

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором регулирование выходного тока осуществляется изменением электрического поля, создаваемого напряжением на управляющем электроде (затворе). В отличие от биполярных транзисторов, работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей заряда (электронов или дырок), поэтому их также называют униполярными. Ключевой особенностью является высокое входное сопротивление (вплоть до 10¹⁵ Ом), что обеспечивает минимальное потребление тока по цепи управления.

История развития

Принцип полевого эффекта был теоретически предсказан и запатентован в 1925—1928 годах австрийским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом. Однако из-за технологических ограничений того времени (отсутствие чистых полупроводниковых материалов и методов создания тонких изолирующих слоёв) практическая реализация была невозможна.

В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали первый биполярный транзистор, что временно отвлекло внимание от полевых структур. Лишь в 1960 году, с развитием планарной технологии и методов термического окисления кремния, Д. Канг и М. Аталла из Bell Labs изготовили первый работоспособный МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник). В СССР первые полевые транзисторы были разработаны в 1960-х годах в Институте физики полупроводников Сибирского отделения АН СССР под руководством А. В. Ржанова.

С 1970-х годов, благодаря возможности интеграции в микроэлектронику, полевые транзисторы стали основой КМОП-технологии (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), которая сегодня доминирует в производстве процессоров, микросхем памяти и логических схем.

Классификация

Полевые транзисторы классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу управляющего перехода

1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET — Junction Field-Effect Transistor). Затвор изолирован от канала обратносмещённым p-n-переходом. Обладают высоким входным сопротивлением (10⁶—10⁹ Ом), но уступают МОП-транзисторам по этому параметру. Используются в аналоговых схемах (усилители, источники тока) благодаря низкому уровню шума.
2. Транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы, MOSFET — Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Затвор отделён от канала слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния). Входное сопротивление достигает 10¹⁴—10¹⁵ Ом. Являются основой современной цифровой электроники.

По типу проводимости канала

• n-канальные — канал образован электронами. Открываются положительным напряжением на затворе (для обогащённого режима).
• p-канальные — канал образован дырками. Открываются отрицательным напряжением на затворе.

По режиму работы

• Транзисторы обогащённого типа (normally off). В исходном состоянии (при нулевом напряжении на затворе) канал заперт, ток отсутствует. Для открытия требуется приложить напряжение определённой полярности. Используются в цифровых КМОП-схемах.
• Транзисторы обеднённого типа (normally on). В исходном состоянии канал открыт, ток протекает. Для запирания требуется приложить запирающее напряжение. Применяются в аналоговых схемах (например, в генераторах тока).

Устройство и принцип работы

Структура полевого транзистора с p-n-переходом

Прибор состоит из трёх электродов: исток (S), сток (D) и затвор (G). Между истоком и стоком расположен полупроводниковый канал. Затвор образует с каналом p-n-переход. При подаче обратного напряжения на затвор область p-n-перехода расширяется, сужая проводящий канал. Чем больше обратное напряжение, тем уже канал, и тем меньше ток между истоком и стоком. При определённом напряжении (напряжении отсечки) канал перекрывается полностью.

Структура МОП-транзистора

В МОП-транзисторе под затвором (металлическим или поликремниевым электродом) находится тонкий слой диэлектрика (SiO₂), под которым расположена подложка (кремний). Канал формируется в приповерхностном слое подложки под действием электрического поля затвора. При подаче положительного напряжения на затвор n-канального транзистора электроны притягиваются к поверхности, образуя инверсионный слой — канал, соединяющий исток и сток. Толщина канала и, соответственно, ток стока управляются напряжением на затворе.

Выходные характеристики

Зависимость тока стока (I_D) от напряжения сток-исток (V_DS) при фиксированном напряжении затвор-исток (V_GS) делится на две области:

• Омическая (триодная) область. При малых V_DS транзистор ведёт себя как управляемый резистор. Ток пропорционален напряжению.
• Область насыщения (активная область). При увеличении V_DS ток стока перестаёт расти и становится почти постоянным, определяемым напряжением V_GS. В этой области транзистор работает как усилитель тока.
• Область отсечки. При напряжении V_GS ниже порогового (для обогащённого типа) канал заперт, ток стока практически равен нулю.

Применение

Полевые транзисторы используются практически во всех областях электроники.

Цифровая электроника

Основное применение — КМОП-логика. Комбинация n-канальных и p-канальных МОП-транзисторов позволяет создавать логические элементы (И, ИЛИ, НЕ) с крайне низким энергопотреблением в статическом режиме. На КМОП-технологии построены все современные микропроцессоры (Intel, AMD, ARM), микроконтроллеры, микросхемы памяти (DRAM, Flash) и ПЛИС.

Аналоговая электроника

• Усилители сигналов. Благодаря высокому входному сопротивлению, полевые транзисторы используются во входных каскадах усилителей (операционные усилители, предусилители для микрофонов и гитар).
• Источники тока и активные нагрузки. В интегральных схемах (например, в операционных усилителях) полевые транзисторы часто применяются в качестве источников стабильного тока.
• Аналоговые ключи и мультиплексоры. МОП-транзисторы работают как управляемые переключатели с малым сопротивлением в открытом состоянии (R_DS(on) — единицы миллиом) и высоким сопротивлением в закрытом.

Силовая электроника

• Силовые МОП-транзисторы (Power MOSFET) используются в импульсных источниках питания, преобразователях напряжения (DC-DC), инверторах (для электродвигателей, в том числе в электромобилях), блоках питания компьютеров и зарядных устройствах. Отличаются высокими рабочими токами (до сотен ампер) и напряжениями (до 1000 В и выше), а также возможностью работы на высоких частотах (до нескольких мегагерц).
• IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — гибридный прибор, сочетающий управление от полевого транзистора (высокое входное сопротивление) и мощный выход биполярного транзистора. Широко применяется в мощных преобразователях частоты, сварочных аппаратах, тяговых приводах поездов и трамваев.

Радиочастотная техника

Полевые транзисторы (GaAs- и GaN-транзисторы) используются в усилителях мощности для базовых станций сотовой связи, радиолокационных станций, спутниковой связи и Wi-Fi-оборудования. Транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) обеспечивают высокую выходную мощность и КПД на частотах до десятков гигагерц.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое входное сопротивление. Минимальное влияние на источник сигнала.
• Низкое энергопотребление в статическом режиме (особенно у КМОП).
• Высокая помехоустойчивость и широкий диапазон допустимых напряжений.
• Отсутствие термоэлектрического дрейфа (в отличие от биполярных транзисторов, у которых ток сильно зависит от температуры).
• Технологичность — простота изготовления в интегральных схемах, высокая степень интеграции (миллиарды транзисторов на кристалле).

Недостатки

• Чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой диэлектрика под затвором может быть пробит напряжением в несколько десятков вольт. Для защиты используются встроенные диоды и антистатические меры при монтаже.
• Более низкая крутизна характеристики по сравнению с биполярными транзисторами (меньший коэффициент усиления по току).
• Паразитная ёмкость затвор-канал ограничивает быстродействие на высоких частотах.

Интересные факты

• Первый коммерческий МОП-транзистор был выпущен компанией Fairchild Semiconductor в 1963 году.
• В современных процессорах (например, Apple M1 или Intel Core i9) количество полевых транзисторов превышает 15 миллиардов.
• Технология FinFET (транзистор с трёхмерным плавниковым каналом), используемая в производстве чипов с 2011 года, позволила продолжить закон Мура после того, как традиционные плоские транзисторы упёрлись в физические ограничения.
• В России разработкой силовых МОП-транзисторов и IGBT занимаются предприятия АО «Группа Кремний ЭЛ» (Брянск) и АО «Микрон» (Зеленоград).

Источники

• Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
• Миллер Р. Л. Силовые полупроводниковые приборы. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
• Патент US 1745175A (Lilienfeld, 1925).
• Документация International Rectifier (Infineon) — Power MOSFET Basics.