Полевые транзисторы

46

II. Полевые трансисторы

Доктор физико-математических наук
М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН,
кандидат физико-математических наук
Г. С. СИМИН

Прицели работы полевого трансистора (ПТ) очень прост (рис. 1). На тонкой полеводниковой платинке расположены три электрода. Если приложить напряжение между электродами 1 (истоком) и 2 (стоком), то по пластинке, называемой каналом, потребет ток. Величина протекающего по каналу тока изменяется при приложении к третьему электроду (затвору) управления напряжения.*)

Различные типы полевых трансисторов (а их существует довольно много) отличаются друг от друга принипом работы затвора. Существуют ПТ, в которых роль затвора играет $p$—переход, контакт металл — полеводник, структура металл — диэлектрик — полеводник (МДП-структура) и т. д.

На рисунке 2 показан ПТ, в котором в качестве затвора использовется $p$—переход, смешенный в обратном направлении. Как известно («Физика 9» §79), на границе между электронным ($n$-типа) и дырочным ($p$-типа) полеводниками образуется слой, обедненный свободными носителями тока (запорный слой). Если приложить $p$—переход запирающей напряжение $U_3$: «плос» к $n$-типу и «минус» — к $p$-типу, то ширина этого слоя растет. Поскольку свободных носителей в запорном слое нет, ток через него не протекает. Таким образом, увеличение напряжения на затворе приводит к сухению канала, по которой протекает ток, и при неизменном напряжении сток — исток производства уменшение тока через трансistor. Еще больше напряжение на затворе полностью перекрывает канал, и ток обращается в нуль.

На рисунке 3 изображен другой тип трансистора,резвящаяно широко использованный в современных ЭВМ,особенно в микрокалькуляторах. В качестве затвора в этом ПТ использовется МДП-структура. Металлический затвор отделен от полеводниковой платинны тончайшим (сотые доли микрона) слоем двуокиси кремния SiO$_2$, которая является хорошим диэлектриком. Позотому трансисторы этого типа иногда называются также МОП—ПТ (металл—окисел—полеводник). На пластинке кремния $p$-типа под стоком и источком созданы области $n$-типа (рис. 3, а). Пряжение сток—исток $U_{cn}$, таким образом, прикладывается к двум последовательно соединенным $p$—переходам. Какова бы ни была полярность напряжения $U_{cn}$ в отсутствие напряжения на затворе, один из $p$—переходов всегда оказывается запертым. В таком состоянии сопротивление $p$—перехода очень велико, и ток, протекающий через трансistor, близок к нулю.

*) Поскольку управление сопротивлением канала производится электрическим полем затвора, трансисторы этого типа и называются полевыми.

Минimalная достижная длина канала $L$ определяется совершенством технически. Для полевого трансистора 60-х годов $L \approx 20$ мкм. Для совершеннего сердizioю кремнего МДП- трансистора $L \approx 3$ мкм. В исследовательских laboratorиях получены приборы с $L \lesssim 0,3$ мкм.

Собственное предельное время переключения «3 мкм — трансистора» — $3 \cdot 10^{-11}$ с. Практическая скорость сравнива

47

Тываная современной серийной логической МДП-ячеейки составляет 5·10⁻⁹ с. Рекордно малое время переключения МДП-транзистора, полученное в 1984 году, составляет ~10⁻¹¹ с.

Микрофотографика фрагмента МДП—БИС. Длина канала самых больших элементов ~10 мкм, самых маленьких ~1 мкм.

При громадной плотности упаковки элементов на пластине (~10⁵) и крошечных размерах элементов (≤1 мкм), каждая пыланка, севшая на пластину, приводит к выходу из строя БИС.

В таких костюмах обычно работают хирурги. Но эта деваушка «оперирует» не больше: она проводит операцию по изголовению БИС.

Если же приложить сравнительно небольшой положительный потенциаль к затвору $U_3$, то по другую стороны диэлектрика, в $p$-канале, который как бы служит второй обкладкой конденсатора, научит скаливаться отрицательные заряды. Положительный заряд на затворе индцирует появление в канале электронов, которые пригravываются полем металлического электрода. При некотором напряжении $U_3=U_0$, называемом пороговым напряжением, в узком слое под затвором конденсция индцируваемых полем электронов превысят исходную концентрацию дырок в $p$-канале. Произойдет изменение характеристика проводимости (инверсия). Вместо полупроводника $p$-типа в пределах этого слоя возникнет полупроводник $n$-типа. В результате исчезают $p$—переходы между стоком и источком и образуется сплошной проводящей канал (рис. 3, 6). В таком состоянии сопротивление трансистора мало.

ПТ, у которых в отсутствие управления на затворе канал для того открыт и сопротивление мало, называются нормальное открытым. ПТ, у которых, наоборот, в отсутствие управления канал закрыт, называются нормальное закрытым. МДП—ПТ, прицип работы которого расстоянены выше (рис. 3), относится к нормальном закрытым ПТ.

Для того чтобы схема, содержащая ПТ, имела два легко различных состояния «0» и «1», и таким образом, могла служить элементом логического ячейки, достаточно последовательно с трансистором в цель сток — исток включить сопротивление нагрузки $R_H$ и источник напряжения $\varepsilon$.

Если в такой схеме используется, например, нормальное закрытый ПТ, то в отсутствие напряжения на затворе ($U_3=0$) сопротивление трансистора очень велико и практически все напряжение источника $\varepsilon$ падает на трансисторе. Когда напряжение на затворе превышает пороговое значение $U_0$, сопротивление трансистора мало, и все напряжение падает на сопротивлении $R_H$. Эти два легко различных состояния соответствуют состояниям «0» и «1» в логических схемах на основе МДП-транзисторов. Достаточно небольшего (≈1 В) сигнала на затворе, чтобы перевести трансистор из состояния «0» в состояние «1».

Важнейшим параметром трансистора в качестве элемента логических схем ЭВМ является скорость его переключения из открытого состояния в закрытое и обратное. Эта скорость определяется как свойствами самого прибора, так и схемой, в котором он включает. Самое малое время переключения, которое, в принципе, может быть получено, приближительно равняется времени прохождения носителей т вдоль канала под действием приложенного напряжения $U_{cn}$. При длине канала $L$ и скорости носителей $v$ время пролега т составляет $\tau=L/v$. Скорость дрейфа электронов (или дырок) в электрическом поле, как известно, пропорциональна напряжению поля $E$ ($v=\mu E$). Коэффициент пропорциональности $\mu$, имеющий размерность $m^2/(B \cdot c)$, называется подвижностью. Посокльку напряженной поля в канале $E=U_{cn}/L$, окончательно получаем: $\tau=L^2/\mu U_{cn}$. Таким образом, предельное быстрое решение полевых трансисторов определяется тем, насколько коротким удается сделать канал трансистора, и подвижность носителей в материалов, из которого изготовлен трансистор.

О том, каковы реализые трансисторы, скорости их переключения и плотность упаковки в современных ЭВМ, вы узнаете из соседней колонки.