Сейчас нас окружает огромное количество различных технологий, но большую часть из них объединяет использование полупроводниковых технологий.
Преимущественно все устройства - цифровые, то есть в своей основе используют цифровые (дискретные) сигналы. По многим причинам, главным элементом, который способен хорошо работать с дискретными сигналами, является полевой транзистор. Сегодня я предлагаю достаточно подробно, не сильно углубляясь в теорию, изучить принцип работы такого устройства.
Для начала, что такое транзистор? Полевой транзистор - это униполярное полупроводниковое устройство. То есть его работа опирается на использование носителей заряда (электроны, дырки) одного типа, а управление происходит с помощью эффекта поля. Но это все терминология, сейчас я постараюсь донести принцип работы простыми словами, насколько это возможно.
В общем случае полевой транзистор (ПТ) имеет 4 контакта: исток, сток, затвор и подложка. То, куда будет подключаться контакт подложки зависит от схемы включения ПТ.
Объяснять я буду на приведенной модели. Это разрез p-канального (основные носители - дырки) МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистора с индуцированным каналом. Я решил, что объяснения на такой модели будут наиболее понятны. Все современные варианты исполнения транзисторов так или иначе похожи на приведенный вариант, а изменения внесенные в конструкцию нацелены на улучшение показателей, но физику работы они никак не изменили.
Рабочем током у ПТ является ток стока, который протекает в приповерхностной области под затвором. Это так называемая область канала, образование которого мы рассмотрим поподробнее.
Итак начнем. Рассмотрим несколько случаев:
1) Пусть напряжение на затворе равняется 0. Чему тогда будет равняться рабочий ток? Напомню, что мы рассматриваем структуру с индуцированным каналом, а это предполагает отсутствие канала при нулевом напряжении на затворе. То есть ток в этом случае будет равняться 0.
2) Если мы будем подавать на затвор положительный потенциал, то ток возникать не будет, так как основные носители - дырки имеют положительный заряд. В следствие этого поле, образуемое затвором, будет отталкивать дырки поэтому образование канала будет невозможным.
3)И наконец, что будет, если мы станем подавать отрицательный потенциал на затвор? В этом случае все интереснее. Отрицательный потенциал будет притягивать к себе основные носители - дырки, они начнут скапливаться в приповерхностной области, но на сам затвор не попадут, так как он изолирован тонким диэлектриком. Сейчас мы рассмотрим несколько случаев.
а) Если напряжение относительно невелико, то канал не образуется, но поверхность вблизи затвора будет эквипотенциальна и рабочий ток будет определяться током утечки обратносмещенного стокового перехода.
б) Если напряжение между стоком и истоком больше нуля, то поверхность не будет эквипотенциальной. Она будет такой, как показано на рисунке. Но напряжения на затворе все еще не достаточно для образования канала. Нужно, чтобы больше носителей заряда "подтянулись" из глубины полупроводника.
в) И как только напряжение на затворе станет равным и больше порогового напряжения, образуется канал. В приповерхностной области будет протекать электрический ток, величина которого регулируется напряжением на затворе.
Исходя из всего вышесказанного можно построить следующий график: Исток-Затворная вольт-амперная характеристика (ВАХ).
Быстродействие такого транзистора в основном будет зависеть от длины канала. Чем больше длина канала, тем больше потребуется времени на какое либо изменение в протекании тока. Поэтому в настоящее время вся тенденция в мире электроники идет на уменьшение этой длины - так называемые технологические нормы. Так, по заверению Тайваньской компании TSMC их инженеры смогли достигнуть норм производства 7 нм!
Если вам интересна тема электроники, то ставьте пальцы вверх и пишите комментарии. Тогда я постараюсь максимально доступно изложить основы теории полупроводников, чтобы мы смогли обсуждать более сложные и интересные темы. Всего вам доброго и до скорых встреч!