Транзистор строение: Биполярный транзистор: строение и принцип действия | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Содержание

Биполярный транзистор: строение и принцип действия | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Транзисторы

Рис. 8.21. Структура транзисторов типа n-p-n и p-n-p

Действие транзистора основывается на использовании свойств p-n-переходов. При изготовлении так называемых биполярных (с двумя переходами) транзисторов в кри­сталле полупроводника создают два p-n-пе­рехода. В противоположных участках кри­сталла создается проводимость одного типа, а в участке между ними — проводимость дру­гого типа. Таким образом, можно иметь тран­зисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа (рис. 8.21).

Рассмотрим принцип действия транзисто­ра типа n-p-

n, строение которого схемати­чески изображено на рис. 8.22. Один переход (на рисунке левый) включается в направ­лении проводимости. Он получил название эмиттерного перехода. При таком включении сопротивление перехода небольшое. Второй переход включается в обратном направле­нии; он получил название коллекторного перехода. Этот переход имеет сопротивление намного большее, чем сопротивление эмиттерного перехода.

Электроды транзистора имеют такие на­звания: эмиттер, база, коллектор. На рис. 8.23 показаны условные обозначения транзисто­ров типа p-n-p (а) и n-p-n (б).

Эмиттер (от лат. emitto) — выпускать.

Коллектор (от лат. collektor) — сохранитель.

Источник E1 (см. рис. 8.22) направляет свободные электроны из эмиттерной части в область базы, где они являются неоснов­ными свободными носителями заряда, по­скольку область базы в этом случае имеет проводимость

р-типа. Здесь концентрация свободных носителей заряда значительно меньше, чем в областях эмиттера и коллек­тора. Кроме того, область базы изготовляют очень тонкой, поэтому электроны, попа­дающие в нее из эмиттера, лишь в незна­чительном количестве рекомбинируют (объе­диняются) с дырками или достигают базо­вого электрода. Основная часть этих элект­ронов захватывается сильным электричес­ким полем, созданным в коллекторной це­пи с помощью источника тока E2. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.22. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора
Рис. 8.23. Условные обозначения тран­зисторов типа p-n-p и n-p-n
Рис. 8.24. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Таким образом, в коллекторной цепи сила тока IК несколько меньше, чем сила тока в эмиттерной цепи

IЭ. Усиление тока при таком включении транзистора не про­исходит. Но поскольку сопротивление кол­лекторной цепи во много раз превышает сопротивление эмиттерной цепи, то имеем значительное усиление напряжения и мощ­ности. Рассмотренную схему включения тран­зистора называют схемой с общей базой.

Если необходимо усилить ток, то ис­пользуют схему с общим эмиттером (рис. 8.24). На рисунке изображена схема для транзи­сторов типа p-n-p. Если используют тран­зисторы типа n-p-n, то изменяют поляр­ность включения источника тока.

Промышленность выпускает не только биполярные транзисторы, рассмотренные выше, но и так называемые полевые тран­зисторы, которые тоже применяются ши­роко в технике.

На этой странице материал по темам:
  • Будова та принцип дії біполярного транзистора

  • Транзистор принцип работы физика 8 класс

  • Принцип работы транзистора типа р-п-р презентация

Вопросы по этому материалу:
  • Какое строение имеют биполярные транзисторы?

  • Какие свойства имеют биполярные транзисторы?

  • Есть несколько биполярных транзисторов. Какой способ вы могли бы предложить, чтобы разделить отдельно транзисторы типа

    р-п-р и п-р-п?

Виды транзисторов

Существуют десятки тысяч транзисторов. Их все можно разделить на несколько типов по характеристикам. Я расскажу какие существуют виды транзисторов и чем они друг от друга отличаются. 

Транзисторы можно разделить на виды по таким характеристикам как: 

  • Физическое строение
  • Принцип действия
  • Мощность
  • Полоса пропускания частот
  • Коэффициент усиления по току
  • и т.д.

Но основными являются четыре: физическая структура транзистора, принцип действия транзистора, мощность и полоса рабочих частот транзистора.

По принципу действия все транзисторы можно разделить на две большие группы: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Различаются они как принципом действия, так и физическим строением. При этом различается как структура транзистора, так и принцип их функционирования. Внешне оба вида выполняют те же функции, но внутри у полевых и биполярных транзисторов всё работает иначе. 

Посмотри на схему выше. Как ты уже заметил, и у биполярных и у полевых транзисторов есть общие характеристики: мощность и частота. Которые могут быть малыми, средними, высокими.

Рассеиваемая мощность транзистора

При это маломощными считаются транзисторы, которые в состоянии рассеять не более 0.3 Вт, транзисторы средней мощности в состоянии рассеять уже от 0.3 Вт до 1.5 Вт. Ну а мощные транзисторы рассеивают более 1.5Вт. 

Полоса пропускания транзистора

Так называют диапазон частот, в которых транзистор сохраняет свои качества как транзистора. На выбор транзистора по частоте сильно влияет тип твоего устройства и с какими частотами сходящих сигналов оно должно уметь работать правильно.

Биполярный транзистор

Я не буду описывать строение транзистора, для этого сущесвуют другие статьи. В этот раз я хочу заострить твоё внимание на том, что в семейсве биполярных транзисторов есть два клана. Этоклан транзисторов со структурой N-P-N и клан со структурой P-N-P. Кроме физ. строения каких либо других различий между ними нет. 

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы также как и биполярные можно разделить на транзисторы P- и N-типа. Но помимо этого они делять ещё два вида: MOSFET и JFET. MOSFET -- это полевой транзистор с изолированным затвором и JFET -- это полевой транзистор с единственным PN-переходом.

Разница между полевым и биполярным транзисторами
Принцип работы биполярный полевой
Управляются током. Для работы требуется подавать начальный ток смещения на базу Управляются напряжением. Всё что им требуется для работы - это подача напряжения на затвор
 

Обладают сравнительно малым входным сопротивлением, поэтому потребляют от больший ток, чем полярные

Обладают высоким входным сопротивлением, что означает практически отсутствующих входной ток транзистора. Позволяет меньше нагружатьисточник питания за счет меньшего потребления тока от источника
Усиление по току Биполярные транзисторы обладают больее высоким коэфф. усиления. Коэфф. усиления меньше, чем в биполярном транзисторе.
Размер Имеют средний и большой размер. Полевые транзисторы можно производить для повернохстного монтажа. А также использовать в интегральных схемах.
Популярность Сегодня биполярне транзисторы стали уступать свои позиции перед FET FET-транзисторы сновятся все более популярны и активно используются в коммерческом ПО.
Стоимость Биполярные транзисторы дешевы в производстве. FET, а особенно MOSFET значительно дороже произвести, чем биполярные транзисторы.

 

Вот и всё. Конечно за кадром остались глубокие принципы работы транзисторов. Но сделано это намеренно. О них я расскажу как-нибудь в другой раз. 

принцип работы, схемы и т.д.

Однопереходные транзисторы — специальные переключательные транзисторы. Обычно они используются в колебательных контурах для генерирования повторяющихся форм волны.

Схема однопереходного транзистора
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однопереходного транзистора

Материал Т-типа однопереходного транзистора имеет два вывода: первую базу (В1) и вторую базу (В2). С материалом N-типа контактирует материал P-типа, который известен как эмиттер (Е). Точка физического соприкосновения материала p-типа и материала n-типа является P-N переходом однопереходного транзистора. В транзисторах этого типа P-N переход носит название «затвор».

Строение однопереходного транзистора

Проводимость между двумя выводами однопереходного транзистора регулируется путем изменения полярности напряжения смещения, подаваемого на эмиттер. Характерной особенностью однопереходного транзистора является то, что существует критическое значение напряжения смещения (разница потенциалов между эмиттером и его выводами на материале N-типа), которое вызывает очень быстрое увеличение проводимости между выводами.

Когда P-N переход однопереходного транзистора имеет обратное смещение, то обедненная область полностью распространяется по всему основному веществу и препятствует движению значительного тока от В1 к В2. В этом случае говорят, что однопереходный транзистор «выключен». В таком положении он остается даже в том случае, если на нем появляется прямое смещение, правда, до тех пор, пока это напряжение прямого смещения остается ниже критического значения.

«Выключенный» однопереходный транзистор

Когда напряжение оказывается равно или превышает критическое напряжение прямого смещения, то обедненная область очень быстро сужается, открывая тем самым путь для протекания тока от В1 до В2. Говорят, что однопереходный транзистор в этих условиях «включен». Когда на однопереходный транзистор подается напряжение смещения, полярность которого периодически изменяется, то этот прибор будет при каждом таком изменении то включаться, то выключаться, при этом он будет посылать резкие регулярные импульсы тока всякий раз, когда будет достигаться критическое напряжение для запуска.

«Включенный» однопереходный транзистор

Новиков А.В. | Основы физики полупроводниковых и полупроводниковых приборов


Общие понятия.

Транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор. Существует несколько типов транзисторов, различающихся физическими эффектами, лежащими в основе их принципа действия. В данном пособии рассмотрены конструкция и работа так называемого

биполярного транзистора, построенного на основе трехслойного кристалла с двумя очень близко расположенными pn-переходами (см. рис.).

строение транзистора

В кристалле транзистора имеются три области: эмиттер, база и коллектор. В соответствием с расположением pn - переходы называются: эмиттер-база - эмиттерным, база-коллектор - коллекторным

В зависимости от типа проводимости слоев различают два типа биполярных транзисторов: pnp и npn. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаковый.

Толщина базы делается значительно меньше длины свободного пробега неосновных носителей заряда, а концентрация основных носителей в базе много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере (см. рис.). Это сделано с целью уменьшения рекомбинации.

Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше эмиттерного, чтобы перехватить весь поток носителей, идущих от эмиттера.

Концентрация основных носителей заряда в коллекторе меньше их концентрации в эмиттере (см. рис.). Один из способов изготовления таких кристаллов заключается в том, что на полупроводник с электронной проводимостью на точно определенном расстоянии наносят две капли расплавленного индия, имеющие разные массы (см. рис.).

Диффундируя, индий образует области с дырочной проводимостью. На границах этих областей с электронным полупроводником образуются два pn-перехода.

При работе транзистора эмиттер и коллектор образуют основную цепь электрического тока, регулируемого транзистором, а база служит для управления величиной тока в этой цепи.

рис 1
На рис.1а показано условное обозначение транзистора типа pnp, а на рис.1б- типа npn. Стрелка на эмиттерном выводе указывает прямое направление эмиттерного тока. В транзисторах pnp и npn типов это направление противоположно, так как в первом из них эмиттерный ток образуется движением положительно заряженных дырок, а во втором - движением электронов.

Принцип работы.

Допустим, что транзистор npn типа подключен к источнику постоянного напяжения.

Один из источников подключен к коллектору и эмиттеру. Полярность включения его выбирается таким образом, чтобы коллекторный переход был заперт, а эмиттерный открыт, то есть для npn - транзистора - положительным полюсом к коллектору и отрицательным - к эмиттеру. Этот источник называется источником питания коллектора (цепи коллектора) и при определенных условиях создает ток в цепи эмиттер-коллектор. (Напряжение источника обычно лежит в диапазоне от единиц до десятков вольт).

Ток в цепи эмиттер-коллектор возникнет, если концентрация неосновных носителей заряда гораздо меньше концентрации основных. В этом случае ток неосновных носителей настолько мал, что его можно не учитывать. Однако ток коллекторного перехода IК можно резко увеличить, повысив концентрацию неосновных носителей в базе, если их туда инжектировать (впрыснуть) из эмиттера.

Для этого необходимо движение носителей зарядов через эмиттерный переход. Для начала инжекции зарядов нужно подключить положительный полюс к n-области базы (npn) и отричательный - к p-области эмиттера.

При прохождении базы электроны могут рекомбинировать, в следствие чего создается ток "эмиттер-база". С этой целью толщина базы делается длины дрейфа носителей заряда за время жизни, таким образом большая часть инжектированных носителей успевает достичь перехода "коллектор-база" и втягивается электрическим полем в коллектор. Через транзистор нанает протекать ток.

Попробуйте самостоятельно управлять транзистором!

Транзисторы с нормами 2 нм: вам порезать или порубить?

В этом месяце компания Intel поделилась долгосрочными планами по внедрению новых техпроцессов. Примерно в 2029 году Intel собирается внедрить техпроцесс с нормами 1,4 нм. Через 10 лет руководящая команда компании вряд ли будет той же самой, что и сегодня. Так что эти планы чем-то неуловимо напоминают притчу Ходжи Насреддина о начитанном ишаке, хане и учителе животного в лице самого Ходжи. К урочному часу ответчика может не оказаться. Но речь не об этом. Запланировали, значит, принимаем как руководство к действию.

В станах конкурентов-лидеров по выпуску полупроводников чуть больше ясности, что подтверждено рисковым производством TSMC чипов с нормами 5 нм (на сегодняшний день уровень брака по таковому всего 20 % при норме 3–8 % для кристаллов площадью 17,92 мм2, для чиплетов размера AMD Zen 2 уровень брака будет больше ― до 60 %). Впрочем, до выпуска процессоров AMD с нормами 5 нм пройдёт ещё не менее полутора лет.

/ изображение с сайта AnandTech

В следующем году со второго квартала техпроцесс TSMC с нормами 5 нм будет использоваться для серийного выпуска SoC на ядрах ARM. В 2022 году TSMC приступит, очевидно, к рисковому выпуску 3-нм чипов (что бы ни значили эти нанометры), а через пару лет компания обещает начать выпуск 2-нм решений. Это будет в 2024–2025 году или на два-три года раньше, чем тот же самый техпроцесс внедрит Intel.

Для компании Samsung техпроцессы с нормами 5 нм и 4 нм станут эволюцией 7-нм техпроцесса, что будет выражено в небольшом постепенном сокращении шагов металлизации под такими элементами FinFET транзисторов, как каналы и затворы. В целом строение транзисторов (число рёбер) останется тем же, как и не изменится строение ячейки SRAM. К выпуску чипов с использованием 4-нм техпроцесса Samsung приступит в районе 2021 года. В том же году компания обещает начать рисковое производство с использованием 3-нм техпроцесса. А некоторые южнокорейские источники утверждают, что это может произойти уже в 2020 году, что выглядит маловероятным.

В данной заметке нас интересует то, что, вплоть до 4-нм техпроцесса Samsung и, очевидно, Intel и TSMC будут использовать FinFET транзисторы ― плавники высоких затворов, в которые врезаются и пронзают насквозь вертикальные гребни каналов. В таких транзисторах электромагнитное поле затвора проникает в каналы с трёх сторон, а два-три канала в каждом транзисторе в сумме обеспечивают необходимую для работы вентиля силу тока.

/ изображение Samsung

Начиная с 3-нм техпроцесса, Samsung поломает эту практику. Концепция FinFET перестанет работать в прежнем виде. Затворы транзисторов FinFET окажутся слишком малы и не смогут переключать транзисторы. Необходимость дальнейшего снижения напряжения питания транзисторов только усугубит это положение. Поэтому для 3-нм техпроцесса будет введён транзистор с кольцевым (окружающим) затвором GAA (Gate-All-Around).

/ изображение Samsung

В Samsung дали новому транзистору коммерческое имя MBCFET (Multi Bridge Channel FET). На практике это развитие идеи транзистора, созданного совместно исследователями IBM, Samsung и GlobalFoundries. Предполагалось, что подобный по строению транзистор будет задействован при переходе к техпроцессу с нормами 5 нм. Но реально эта вентильная структура появится в чипах только с началом 3-нм производства Samsung.

Транзистор MBCFET будет представлять собой горизонтально расположенные друг над другом каналы в виде наностраниц, а не вертикальные гребни, как в FinFET. Характеристиками MBCFET транзисторов будет удобно управлять как за счёт варьирования числом страниц, расположенных друг над другом, так и с помощью изменения ширины страницы. Каждая страница ― это канал. Сумма этих переменных будет определять какой у нас транзистор: мощный и быстрый, или слабый, но малопотребляющий. Градаций будет больше двух ― от пяти до семи.

/ изображение Samsung

Самое интересное, ради чего затевалась эта заметка, что транзистор MBCFET может появиться только в рамках 3-нм техпроцесса, а техпроцесс с нормами 2 нм снова потребует изменений в строении транзистора. Такой новый транзистор под именем Forksheet предложил бельгийский исследовательский центр Imec. Впервые подробно о структуре транзистора с раздельными (нано)страницами представители Imec рассказали весной этого года на годовом мероприятии. Но баснями соловья не накормишь. Нам бы пощупать. Пощупать пока нельзя, но моделирование работы Forksheet-транзистора на TCAD бельгийцы провели, о чём сообщили три дня назад.

Перед тем, как рассмотреть полученные данные, поясним, что транзистор Forksheet представляет собой модификацию транзистора с наностраницами ― того самого MBCFET или Gate-All-Around, если абстрагироваться от терминов Samsung. В транзисторе Forksheet плавник вертикального затвора чуть шире, чем у MBCFET, но наностраницы транзисторных каналов расщеплены надвое и разделены слоем диэлектрика. Фактически один MBCFET-транзистор лёгким движением руки превращается в комплементарную транзисторную пару из транзисторов p- и n-типа.

Предложенная структура разрушает серьёзный барьер в уплотнении транзисторов в виде сложности максимально сблизить p- и n-транзисторы и избежать при этом взаимного негативного влияния вентилей.

Очевидно, что предложенный подход увеличит плотность размещения транзисторов на кристалле, но моделирование показало, что улучшатся также производительность и энергопотребление. Переход на транзистор с раздельными страницами позволит уменьшить площадь кристалла до 20 %, а за счёт снижения паразитных ёмкостей и утечек производительность электронных приборов вырастет на величину до 10 %. Если не наращивать частоты, то можно снизить энергопотребление на величину до 24 %.

В запасе у Imec есть ещё одна технология, которая может ещё сильнее увеличить плотность размещения транзисторов. Она может быть применена как на этапе выпуска 3-нм чипов, так и с меньшими нормами производства. Идея заключается в том, чтобы комплементарную пару транзисторов изготавливать друг над другом. Эта нехитрая на первый взгляд операция обещает на 50 % уменьшить размеры как стандартной логической ячейки, так и ячейки SRAM. На этом хорошо проработанные и частично испытанные на моделях идеи заканчиваются.

Переход на 1-нм техпроцесс также может потребовать новой структуры транзистора. В то же время необходимо помнить, что инженеры часто находят возможность растянуть удовольствие ― придумать что-нибудь этакое, чтобы сделать ещё один шаг вперёд на старых костылях.

Создан транзистор c самым маленьким затвором в мире

Строение транзистора. В роли канала выступает бислой дисульфида молибдена, затвор — углеродная нанотрубка

Sujay Desai/UC Berkeley

Физики из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, а также университетов Калифорнии, Техаса и Стэнфорда создали транзистор с рекордно малым размером затвора — части устройства, отвечающей за включение и отключение. Его длина составила всего один нанометр — в 20 раз меньше, чем в современных устройствах. Ключевым для создания транзистора стало использование в качестве основного материала атомарно тонких слоев дисульфида молибдена. В случае традиционных кремниевых транзисторов минимальный размер затвора ограничен пятью нанометрами. Исследователи отмечают, что разработанная технология не адаптирована для массового производства, но тем не менее работа показывает, что предел миниатюризации транзисторов еще не достигнут. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз лаборатории.

Основной деталью современных микроэлектронных устройств являются транзисторы — полупроводниковые приборы, способные изменять свою электропроводность под действием приложенного управляющего напряжения. Полевые транзисторы (самый распространенный тип) состоят из трех основных частей — истока, затвора и стока. В простейшем случае в транзисторе есть два разных типа проводников с различными видами проводимости. Между истоком и стоком есть канал, через который могут перемещаться носители заряда, часть этого канала контактирует с полупроводником другого типа проводимости. Если приложить к последнему напряжение, то возникает запирающий слой, повышающий сопротивление канала — транзистор «отключается». 

Современные транзисторы имеют размеры порядка десятков нанометров — на таких расстояниях начинают сказываться различные побочные эффекты, связанные с квантовой природой носителей зарядов, электронов. Так, при малых длинах канала, расположенного рядом с затвором, электроны могут «не обращать внимания» на запирающий слой и попросту туннелировать сквозь него. Такой транзистор невозможно выключить. Этот эффект можно подавить, увеличив эффективную массу электронов и сделав их менее подвижными. Эффективная масса носителей заряда — это такая масса, имея которую в вакууме частицы двигались бы так же, как двигаются в реальном материале. Изменить ее можно, выбрав другой материал для транзистора.

В новой работе авторы использовали для канала транзистора слой дисульфид молибдена толщиной в несколько атомных слоев. Эффективная масса носителей заряда в нем в несколько раз выше, чем в кремнии. Роль управляющего электрода, изменявшего состояние затвора, играла одиночная углеродная нанотрубка. От затвора она отделена слоем диэлектрика — оксида циркония. 

Чтобы собрать подобное устройство, ученые пользовались высокоточными техниками — на первом этапе одиночную углеродную нанотрубку переносили на подложку. Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии физики устанавливали точное положение нанотрубки на подложке и напыляли на ее концы палладий. Образовывались контакты большой площади, благодаря которым можно было подавать напряжение на затвор. Затем с помощью техники атомного послойного осаждения авторы наносили слой оксида циркония требуемой толщины. Следом за этим на диэлектрик помещали дисульфид молибдена и напыляли контакты — исток и сток.

Эксперименты с устройством показали, что проводимость транзистора управляется напряжением на затворе. Ток, проходящий через транзистор в выключенном состоянии, в миллион раз меньше, чем ток включенного транзистора. 

Авторы отмечают, что хотя разработанные транзисторы гораздо меньше, чем используемые в современных устройствах, их массовое производство на сегодняшний день потребует значительных усовершенствований техник литографии. Так, сложность представляет рост больших по площади моноатомных слоев дисульфида молибдена, а также технология нанесения на них металлических контактов.

Слева направо, сверху-вниз: строение транзистора, микрофотография затвора, микрофотография всего транзистора, микрофотография среза, распределение элементов в срезе транзистора

Sujay B. Desai et al. / Science, 2016

Для того чтобы увеличить скорость работы и другие характеристики транзисторов, физики используют необычные материалы. Так, недавно материаловеды из Университета Висконсина впервые создали транзистор на основе углеродных нанотрубок, обошедший кремниевые устройства по плотности тока насыщения. Создать в некотором смысле биосовместимые транзисторы удалось шведским физикам — ученые превратили в транзисторы клетки садовой розы.

Владимир Королёв

Технологические особенности изготовления прозрачных тонкопленочных транзисторов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.382.3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

С.А. Белоусов, Ю.В. Иванов, А.А. Носов, С.И. Рембеза

В статье рассмотрена конструкция прозрачного тонкопленочного полевого транзистора с нижним расположением затвора. Обоснован выбор состава металлооксидных пленок и их параметров для использования в качестве элементов конструкции прозрачного тонкопленочного полевого транзистора

Ключевые слова: металлооксиды, тонкие пленки, полевой транзистор

Прозрачная электроника как новое направление развития микроэлектроники появилось недавно [1] и в настоящие время активно развивается в США [1], в Юго-восточной Азии [2] и в Европе [3].1017см"3. Таким образом, каждый элемент конструкции прозрачного транзистора должен иметь определенные электрофизические параметры.

Цель данной работы - разработка физических основ технологии изготовления металлооксидных пленок с электрофизическими параметрами, пригодными для синтеза всех элементов конструкции прозрачного полевого транзистора с нижним расположением затвора.

На рис. 1 приведена типичная конструкция прозрачного полевого транзистора с нижним расположением затвора [3]. В этом транзисторе исток, сток и затвор изготовлены из низкоомной пленки ITO (In2O3+10% SnO2).

Диэлектрик представляет собой многослойную структуру TiO2 и Al2O3, изготовленную методом атомно-слоевого нанесения для обеспечения

Белоусов Сергей Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]

Иванов Юрий Васильевич - ВГТУ, студент, e-mail: [email protected]

Носов Андрей Андреевич - ВГТУ, магистрант, e-mail: [email protected]

Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected]

удельной емкости ~ 60 нФ/см2. Пленка диэлектрика изготовлена методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В прозрачных полевых транзисторах канал изготавливают из SnO2, ZnO или из многокомпонентных металлооксидов на их основе [3]. Основные требования к материалу канала - это заданные значения концентрации свободных носителей и величины их подвижности, а также минимизация числа дефектов на границах раздела диэлектрик - канал и исток, сток - канал.

Рис. 1. Типичная конструкция прозрачного полевого

транзистора с нижним расположением затвора

В данном транзисторе [3] канал изготовлен методом плазменного осаждения, стимулированного лазером, из мишени, содержащей одинаковые количества ZnO и SnO2. При таком соотношении компонентов образуется новая фаза Zn2SnO4, поэтому в своих исследованиях мы использовали мишень, изготовленную из этой трехкомпонентной фазы. Так как толщина канала обычно не превышает 200 нм, то концентрация носителей в нем должна обеспечивать распространение пространственного заряда на всю толщину канала при наличии небольшого (< 10 В) напряжения смещения на затворе. Этим условиям соответствуют значения концентраций свободных носителей в интервале см- . Величина подвижности носителей заряда определяет наклон вольт-амперной характеристики и для большинства металлооксидов не превышает 100 см2/В-с. Удельным электросопротивлением канала ограничивается максимальный ток, который может протекать между истоком и затвором транзистора, поэтому не целесообразно создавать приборную структуру с минимальными значениями концентрации носителей заряда в канале.

Для изготовления прозрачных

металлооксидных пленок используются методики ионно-лучевого и магнетронного распыления керамических мишеней на переменном токе [5], ионно-плазменного и химического осаждения, золь-гель технологии [6] и другие методы синтеза. В нашей работе будут рассмотрены образцы пленок, синтезированных ионно-лучевым и магнетронным распылением на переменном токе [7].

Для получения канала полевого транзистора была изготовлена керамическая мишень из фазы оксидов Zn2SnO4 методом сухого прессования. Распыление мишени осуществлялось в установке магнетронного распыления на переменном токе Angstrom E.I. Covap II в атмосфере Ar, в течение 5 часов до получения пленки толщиной 2 мкм (измерено эллипсометром ЛЭФ-753). Рентгеновский элементный анализ (JEOL-840) показал, что атомный состав пленки соответствует составу распыленной мишени с дефицитом кислорода. Сразу после изготовления пленки были практически не прозрачны, имели концентрацию носителей заряда 7-1018 см-3 и подвижность 45 см2/В-с. Низкоомная пленка с указанными параметрами не может быть использована в качестве канала транзистора. Поэтому для дополнительного окисления пленок и снижения концентрации носителей зарядов выполнялся отжиг на воздухе при Т=500°С в течение 4 часов.80%), концентрация носителей заряда упала до величины 1,8-1016 см-3, а подвижность стала 30 см2/В-с. Такие параметры пленок соответствуют требованиям, предъявляемым к электрофизическим свойствам канала полевого транзистора

Пленка диэлектрика изготавливалась методом ионно-лучевого распыления мишени на основе TiO2 c примесью SiO2, т.к. необходимо было получить пленку заданной толщины с конкретным значением удельной емкости. Для определения оптимального элементного состава пленки TiO2+SiO2 изготавливалась наборная мишень из TiO2 с вставками SiO2 по методике, описанной в работе [7], что позволило получить пленки TiO2 с содержанием кремния от 8,8 до 16,7 % (JEOL-840).

Пленки диэлектрика были прозрачны с коэффициентом пропускания T в видимом оптическом диапазоне от 60 до 80 %, (рис. 2). Так как все исследуемые пленки имели одинаковую толщину, то из характера расположения интерференционных максимумов на рис. 2 следует, что с уменьшением содержания Si от 16,7 до 8,8 % в TiO2 коэффициент преломления пленок (n) увеличивается. Из интерференционных максимумов и минимумов спектров пропускания были рассчитаны значения коэффициентов преломления (n) и диэлектрической проницаемости (е) пленок с различным составом. Эти значения е изменялись от 2,7 до 15,5 по мере уменьшения содержания Si в пленках TiO2. Установлено, что пленки TiO2 с добавлением 8,8 % Si обладают заданной емкостью ~ 50 нФ/см2, что соответствует требованиям к

диэлектрическим свойствам пленок толщиной 200 нм, используемых в качестве диэлектрика в прозрачном полевом транзисторе.

Рис. 2. Коэффициенты пропускания тонких пленок ТЮ2 -БЮ2 для образцов с различной концентрацией кремния

(№ 2 - 16,7 % Si, № 5 - 13 % Si, № 9 - 8,8 % Б1)

Таким образом, ионно-лучевое или магнетронное распыление на переменном токе керамических мишеней состава ТЮ2 + 8,8 % 81 может быть использовано для изготовления диэлектрических слоев полевого прозрачного транзистора.

В качестве материала для истока, стока и затвора полевого транзистора чаще всего используются низкоомные пленки 1ТО (1п2О3+8пО2). Оксид индия, являясь основой этих пленок, непрерывно растет в цене, увеличивая стоимость транзисторов и прозрачных дисплеев. Поэтому многими исследователями проводятся поисковые работы по замене дорогостоящих пленок 1ТО на более дешевые прозрачные и низкоомные материалы. Одним из таких материалов является пленка 8пО2 с примесью нескольких процентов 8Ь2Оз [8].

Для определения оптимального соотношения 8пО2 и 8Ь2О3 нами использовалась керамическая составная мишень на основе 8пО2 с несколькими вставками 8Ь2О3, которая распылялась ионно-лучевым методом на переменном токе. Были получены аморфные прозрачные образцы желто -оранжевого цвета, электрические параметры которых сразу после синтеза не промерялись. Концентрация 8Ь в синтезированных пленках изменялась от 0,2 до 14,45 ат. %. По результатам более ранних работ [8, 9] известно, что низкоомные прозрачные пленки 8пО2 могут быть получены при добавлении ~ 10 % 8Ь2О3, что соответствует содержанию 8Ь ~ 4 %. Тонкие прозрачные низкоомные пленки могут быть использованы в качестве истока, стока и затвора в прозрачном полевом транзисторе. Полученные нами результаты подтверждают возможность замены дорогостоящих пленок 1ТО в технологии изготовления изделий прозрачной электроники на более доступную и дешевую пленку 8пО2 с добавкой 8Ь2О3, параметры которой сравнимы с параметрами низкоомных прозрачных пленок, изготовленных из 1ТО (1п2О3+8пО2).

В результате выполненных исследований разработана методика синтеза прозрачных тонких

пленок для изготовления всех элементов конструкции прозрачного полевого транзистора: канала, диэлектрика, истока, стока и затвора.

Для изготовления канала впервые использована керамическая мишень

трехкомпонентного состава Zn2SnO4 и определены режимы и условия термообработки для управления прозрачностью и электрическими параметрами пленок. Изготовлены пленки с оптимальными параметрами для использования в качестве канала полевого транзистора.

Пленки ТЮ2 с примесью SiO2 могут быть использованы в качестве диэлектрика в полевом транзисторе вместо дорогостоящих послойно наносимых методом молекулярно-лучевой эпитаксии пленок ТЮ2 и А1203. Пленки диэлектрика и пленки канала полевого транзистора можно синтезировать последовательным магнетронным распылением двух мишеней на переменном токе в одном технологическом процессе.

Дорогостоящие пленки 1ТО, широко используемые в настоящее время для истока, стока и затвора, можно заменить низкоомными

прозрачными пленками

(SnO2

+

Sb2Os),

изготавливаемыми на переменном токе. В работе установлено оптимальное соотношение между компонентами во всех пленках, используемых для изготовления прозрачного полевого транзистора.

Авторы благодарят профессора А.В. Ситникова за помощь при изготовлении образцов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного задания Министерства науки и образования по проекту № 280 и задания № 3.574.2014/К на выполнение научно-исследовательской работы в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности.

Литература

1. Wager, J.F. Transparent Electronics [Text] / J.F. Wager // Science. - 2003. - Vol. 300. - P. 1245-1246.

2. Wang, L. High-performance transparent inorganic-organic hybrid thin-film n-type transistors [Text] / L. Wang, M.H. Yoon, G. Lu, Y. Yang, A. Facchetti, T.J. Marks // Nat. Mater. - 2006. - Vol. 5. - № 11. - P. 893-900.

3. Riedl, T. Transparent electronics for see-through AMOLED displays [Text] / T. Riedl, P. Gorrn, W. Kowalsky // J. of display technology. - 2009. - Vol. 5. - № 12. - P. 501509.

4. Физико-химические свойства оксидов [Текст] / под ред. Г.В. Самсонова. - М.: Металлургия, 1978. - 472 с.

5. Формирование пленок диоксида олова с вертикально ориентированными нанопорами [Текст] / В.В. Симаков, И.В. Синев, А.В. Смирнов, С.Д. Сякина,

A.И. Гребенников, В.В. Кисин // Нанотехника. - 2011. - № 3. - С. 45-46.

6. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель-технологии [Текст] / И.А. Аверин, А.А. Карманов,

B.А. Мошников, Р.М. Печерская, И.А. Пронин // Известия вузов. Поволжский регион. Сер. Физико-математические науки. - 2012. - № 2 (22). - С. 155-162.

7. Изготовление и структура пленок многокомпонентных металлооксидов (SnO2)x:(ZnO)1_x (x = 0-1) [Текст] / С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза, Е.Ю. Плотникова, Т.В. Свистова, E. Suvaci, E. Ozel, G. Tunocolu, C. Afiksari // Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии (НАНСИС-2013): тезисы IV Междунар. науч. конф. - Киев, 2013.

8. Sol-Gel Deposited Sb-Doped Tin Oxide Films [Text] / М. Guglielmi, E. Menegazzo, M. Paolizzi, G. Gasparro, D. Ganz, J. P Utz and M.A. Aegerter, L. Hubert-Pfalzgraf, Pascual and A. Dur' An, H.X. Willems and M. Van Bommel, L. B Uttgenbach, L. Costa // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 1998. - Vol. 13. - Issues 1-3. - P. 679-683.

9. Transparent conducting sol gel ATO coatings for display applications by an improved dip coating technique [Text] / G. Guzman, B. Dahmani, J. Puetz, M.A. Aegerter // Thin Solid Films. - 2006. - Vol. 502. - Issues 1-2. - P. 281285.

Воронежский государственный технический университет

TECHNOLOGICAL FEATURES OF MANUFACTURING TRANSPARENT

THIN FILM TRANSISTORS

S.A. Belousov, Y.V. Ivanov, Â.Â. Nosov, S.I. Rembeza

In the article exanimated design of transparent thin film field transistor with bottom gate. Argnmented elements composition and electrical properties of metaloxide films using as construction of transparent thin film field transistor

Key words: metaloxides, thin films, field effect transistor

Типы и структура транзисторов (pnp-транзистор и npn-транзистор)

Транзистор представляет собой кристалл n-типа, заключенный между двумя кристаллами p-типа, или кристалл p-типа, заключенный между двумя кристаллами n-типа. Существует два типа соединения транзистора в электрической цепи: общий эмиттер между коллектором и базой.

Структура транзистора

Он состоит из трех смежных областей легированного полупроводникового материала, первая область называется эмиттером (E), последняя называется коллектором (C), а средняя область называется базой (B).

Типы транзисторов

Есть два основных типа биполярных переходных транзисторов:

  1. Транзистор pnp состоит из базы n-типа (n), а эмиттер и коллектор p-типа (p).
  2. Транзистор npn
  3. состоит из базы p-типа (p), а эмиттер и коллектор n-типа (n).

Транзисторы

Подключение транзистора в цепь общей базы (npn)

Эмиттер (E) соединен с базой (B) прямым соединением, а коллектор (C) соединен с базой (B) обратным соединением, Электроны испускаются из эмиттера (n) в базу ( p) где они бродят по базе, пока их не подберет сборщик (n).

Во время распространения электронов внутри базы (p) часть из них расходуется на заполнение дырок для рекомбинации вместе, так что ток коллектора (I C ) всегда меньше, чем ток эмиттера (I E ) где:

I E = I C + I B

Коэффициенты транзистора:

Отношение между током коллектора и током эмиттера называется делением тока (α e ):

α e = I C / I E

Значение α e становится близким к I, потому что ширина базы очень мала, имеет большое количество примесей, и только очень небольшая часть тока расходуется на заполнение дырок в базе и электронов. продолжить движение, чтобы достичь коллектора, Деление тока (α e ) - это отношение тока коллектора к току эмиттера при постоянной разности потенциалов между базой и коллектором.

Когда деление тока в транзисторе = 0,98, это означает, что отношение между током коллектора (I C ) к току эмиттера (I E ) при постоянной разности потенциалов между базой и коллектором (V CB ) = 98/100

Транзистор используется при подключении к общей схеме базы для увеличения электрической мощности, и его нельзя использовать для увеличения электрического тока, поскольку ток коллектора меньше, чем ток эмиттера.

Подключение транзистора в цепь общего эмиттера (npn)

Эмиттер (E) соединяется с базой (B) в прямом соединении, Эмиттер (E) соединяется с коллектором (C) таким образом, что эмиттер соединяется с отрицательным полюсом, а коллектор - с положительным полюсом. .

Электроны эмиттера (n) отталкиваются от отрицательных полюсов двух батарей, таким образом, токи электронов собираются на эмиттере и движутся к коллектору, Если небольшой электрический сигнал был добавлен к базовому току, его эффект проявляется усиливается ток коллектора.

Коэффициенты транзистора:

Отношение между током коллектора и током базы называется коэффициентом усиления по току (β e ).

Коэффициент усиления по току (β e ) - это отношение между током коллектора и током базы при постоянной разности потенциалов между эмиттером и коллектором.

β e = I C / I B

Когда коэффициент усиления по току транзистора = 46, это означает, что отношение тока коллектора (I C ) к базовый ток (I B ) при постоянной разности потенциалов между эмиттером и коллектором (V CE ) = 46.

Расчет текущего прироста (β e ) с точки зрения текущего деления (α e )

α e = I C / I E , ∴ I C = α e I E

β e = I C / I B , I B = I E - I C

∴ I B = I E - α e I E

β e = I C / I B = α e I E / ( I E - α e I E )

β e = α e I E / I E ( 1 - α e )

β e = α e / ( 1 - α e )

Транзистор использует

В качестве усилителя: идея транзистора в качестве усилителя в схеме с общим эмиттером заключается в том, что, когда очень слабый электрический сигнал добавляется к малому базовому току, его влияние проявляется в токе коллектора, и это называется действием транзистор.

Как переключатель: Транзистор включен в электрическую цепь так, что эмиттер является общим, так что,

V CC = V CE + I C R C

(где: V CC - напряжение батареи, V CE - разность потенциалов между коллектором и эмиттером, I C - ток коллектора, R C - сопротивление цепи), учитывая, что база вводится, а коллектор выводится.

Транзистор в случае включения (замкнутый переключатель): При подключении базы (B) с положительным или большим напряжением ( В в ) через коллекторную цепь проходит большой ток (I C ), поэтому значение (I C R C ) становится большим, а значение (V CE ) уменьшается, что означает, что выход небольшой, , что означает, что транзистор позволяет протекать базовому току, потому что (V в > В из ) и действует как замкнутый переключатель.

Транзистор в случае выключения (разомкнутый ключ): При подключении базы (B) с отрицательным напряжением или малым (V в ) значение I C уменьшается, I C R C значение уменьшается, поэтому значение V CE увеличивается, что означает, что выход большой, Это означает, что транзистор не позволяет протекать базовому току, потому что (V из > V в ) и действует как открытый выключатель.

Транзистор действует в обратном направлении, так что, когда входное напряжение ( В на ) транзистора велико, выходное напряжение ( В на выходе ) мало, и наоборот, Полярность транзистора может можно определить с помощью омметра.

Типы электронных компонентов, pn-переходное соединение и применение

Аналоговая и цифровая электроника, логические вентили, преобразование десятичных и двоичных чисел

Транзисторов - учимся.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 77

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы - это в основном трехконтактные устройства. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем для NPN и PNP BJT ниже:

Единственное различие между NPN и PNP - это направление стрелки на эмиттере.Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN:

N ot P ointing i N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса. Полупроводник - это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника - насколько легко он позволяет электронам течь - зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов.Давайте кратко заглянем под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода
Транзисторы

- это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов. В некотором смысле транзисторы - это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он совпадает с направлением стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен проходить ток через транзистор.

Изображение диодов - хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает). Существует множество странных вещей на уровне квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете провести измерения на клеммах BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора

Транзисторы построены из трех разных слоев полупроводникового материала. В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легированием»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» - отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного).Транзисторы создаются путем наложения n поверх p поверх n или p поверх n над p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение каких-либо аббревиатур?

При некотором взмахе руки мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), толкающая их.Но переход от области p к области n действительно затруднен (требуется лот напряжения). Но особенность транзистора - та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей - это тот факт, что электрона могут легко течь от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база эмиттерный переход имеет прямое смещение (это означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

NPN-транзистор предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру).Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большинство испускаемых электронов «собираются» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении - от эмиттера к коллектору. Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше ...



← Предыдущая страница
Введение Типы транзисторов

- переходные транзисторы и полевые транзисторы

В этом руководстве мы узнаем о классификации и различных типах транзисторов.Транзистор стал важным компонентом современной электроники, и мы не можем представить мир без транзисторов.

Введение

Транзистор - это полупроводниковое устройство, которое используется для усиления сигналов, а также в схемах переключения. Обычно транзистор изготавливается из твердого материала, который содержит три вывода, такие как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) для соединения с другими компонентами схемы. Некоторые транзисторы также содержат четвертый вывод i.е. субстрат (S). Транзистор - один из активных компонентов.

Со времени изобретения первого транзистора до наших дней транзисторы классифицируются на разные типы в зависимости от конструкции или работы, они поясняются с помощью древовидной диаграммы, как показано ниже.

НАЗАД

Древовидная диаграмма транзисторов

Классификацию транзисторов можно понять, наблюдая за приведенной выше древовидной диаграммой. Транзисторы в основном делятся на два типа; это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP. Полевые транзисторы подразделяются на JFET и MOSFET.

Junction FET транзисторы подразделяются на N-канальный JFET и P-канальный JFET в зависимости от их функции. MOSFET-транзисторы подразделяются на режим истощения и режим улучшения. Опять же, транзисторы режима обеднения и улучшения подразделяются на N-канальный JFET и P-канал.

В настоящее время электронные лампы заменяются транзисторами, потому что транзисторы имеют больше преимуществ перед электронными лампами.Транзисторы имеют небольшие размеры, для работы требуется низкое напряжение, а также низкое рассеивание мощности. По этим причинам транзистор используется во многих приложениях, таких как усилители, схемы переключения, генераторы, а также почти во всех электронных схемах.

НАЗАД В начало

Типы транзисторов

Транзистор - это правильное расположение различных полупроводниковых материалов. Общие полупроводниковые материалы, используемые для транзисторов, - это кремний, германий и арсенид галлия.В основном транзисторы классифицируются в зависимости от их конструкции. У каждого типа транзисторов есть свои особенности, достоинства и недостатки.

Некоторые транзисторы предназначены в первую очередь для целей переключения, другие стороны некоторых предназначены для целей усиления, а некоторые транзисторы предназначены как для усиления, так и для целей переключения. В зависимости от структуры транзисторы делятся на BJT и FET.

НАЗАД

Переходные транзисторы

Переходный транзистор обычно называют биполярным переходным транзистором (BJT).Транзисторы BJT имеют три вывода: эмиттер (E), база (B), коллектор (C). Само название указывает на то, что он имеет два перехода между полупроводниками p-типа и n-типа. Транзисторы BJT подразделяются на транзисторы NPN и PNP в зависимости от конструкции.

В отличие от полевых транзисторов, биполярные транзисторы являются устройствами с регулируемым током. Если через базу BJT-транзистора протекает небольшое количество тока, это вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору. Биполярные транзисторы имеют низкий входной импеданс, что приводит к протеканию через транзистор большого тока.

Биполярные транзисторы - это только транзисторы, которые включаются входным током, подаваемым на базу. Транзисторы с биполярным переходом могут работать в трех областях:

  • Область отсечки: Здесь транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ», т.е. ток, протекающий через транзистор, равен нулю.
  • Активная область: Здесь транзистор действует как усилитель.
  • Область насыщения: Здесь транзистор находится в полностью «ВКЛЮЧЕННОМ» состоянии и также работает как замкнутый переключатель.

НАЗАД

NPN-транзистор

NPN - это один из двух типов биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда являются дырки. Прохождение электронов от эмиттера к коллектору формирует ток, протекающий в транзисторе через вывод базы.

Небольшой ток на выводе базы вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору.В настоящее время обычно используемым биполярным транзистором является транзистор NPN, потому что подвижность электронов больше подвижности дырок. Стандартное уравнение для токов, протекающих в транзисторе:

I E = I B + I C

Символы и структура для NPN-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД В начало

PNP-транзистор

PNP - это еще один тип биполярных переходных транзисторов (BJT).Транзисторы PNP содержат два полупроводниковых материала p-типа и разделены тонким слоем полупроводника n-типа. Основными носителями заряда в транзисторах PNP являются дырки, а электроны - неосновные носители заряда. Стрелка на выводе эмиттера транзистора указывает протекание обычного тока. В транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.

Транзистор PNP включен, когда клемма базы переведена в низкий уровень относительно эмиттера. Символ и структура транзистора PNP показаны ниже.

НАЗАД В начало

FET (полевой транзистор)

Полевой транзистор (FET) - это еще один тип транзисторов. Обычно полевые транзисторы имеют три вывода: затвор (G), сток (D) и исток (S). Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с переходным эффектом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET) или полевые МОП-транзисторы. Для соединений в схеме мы также рассматриваем четвертую клемму, называемую базой или подложкой.Транзисторы FET контролируют размер и форму канала между истоком и стоком, который создается под действием приложенного напряжения. Транзисторы FET являются однополярными транзисторами, потому что они выполняют одноканальную работу, тогда как транзисторы BJT являются транзисторами с биполярным переходом. Транзисторы FET имеют более высокое усиление по току, чем транзисторы BJT.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

JFET (Переходно-полевой транзистор)

Переходный полевой транзистор (JFET) - это самый ранний и простой тип полевых транзисторов.Эти полевые транзисторы используются в качестве переключателей, усилителей и резисторов. Этот транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением. Ему не нужен ток смещения. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком транзистора. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

НАЗАД

N-канальный JFET

В N-канальном JFET ток протекает за счет электронов. Когда между затвором и истоком подается напряжение, между истоком и стоком образуется канал для протекания тока.Этот канал называется N-каналом. В настоящее время N-канальный JFET-транзистор является наиболее предпочтительным типом, чем P-канальный JFET. Обозначения для N-канального JFET-транзистора приведены ниже.

НАЗАД В начало

P-Channel JFET

В этом транзисторе JFET ток протекает из-за дыр. Канал между истоком и стоком называется P-каналом. Обозначения для P-канальных JFET-транзисторов приведены ниже. Здесь стрелки указывают направление тока.

НАЗАД В начало

MOSFET

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее полезным типом среди всех транзисторов. Само название указывает на то, что он содержит металлический зажим для ворот. МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку (B). MOSFET имеет много преимуществ перед BJT и JFET, в основном он предлагает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Он используется в схемах с низким энергопотреблением, в основном, в технологиях проектирования микросхем.

MOSFET-транзисторы доступны в версиях с истощением и расширением. Кроме того, типы истощения и улучшения подразделяются на типы с N-каналом и P-каналом.

НАЗАД

N-канальный полевой МОП-транзистор

МОП-транзистор, имеющий N-канальную область между истоком и стоком, называется N-канальным полевым МОП-транзистором. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы материалами n-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом p-типа. Здесь ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.Напряжение затвора контролирует протекание тока в цепи. MOSFET с N-каналом является наиболее предпочтительным, чем MOSFET с P-каналом, потому что подвижность электронов выше подвижности дырок. Обозначения для N-канальных MOSFET-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД

MOSFET с P-каналом

MOSFET, имеющий область P-канала между истоком и стоком, называется MOSFET с P-каналом. Здесь выводы истока и стока сильно легированы материалом P-типа, а подложка легирована материалом N-типа.Ток между истоком и стоком обусловлен концентрацией дырок. Приложенное напряжение на затворе будет управлять потоком тока через область канала. Обозначения для P-канальных MOSFET-транзисторов в режимах истощения и расширения приведены ниже.

НАЗАД В начало

Транзисторы в зависимости от функции

Транзисторы также классифицируются в зависимости от функций, которые означают то, что они делают. Ниже описаны различные типы транзисторов в зависимости от их функции.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Малосигнальные транзисторы

Основная функция малосигнальных транзисторов заключается в усилении слабых сигналов, даже если эти транзисторы используются для переключения. Малосигнальные транзисторы доступны на рынке в виде транзисторов NPN и PNP. Мы можем видеть некоторое значение на корпусе малосигнального транзистора, это значение указывает на hFE транзистора.

В зависимости от этого значения hFE мы можем понять способность транзистора усиливать сигнал.Значения hFE находятся в диапазоне от 10 до 500. Значение тока коллектора этих транзисторов составляет от 80 до 600 мА. Этот тип транзисторов работает в диапазоне частот от 1 до 300 МГц. Само название транзистора указывает на то, что эти транзисторы усиливают слабые сигналы, которые используют небольшие напряжения и токи, такие как несколько милливольт и миллиампер тока.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-signal-transistor.png 

Малосигнальные транзисторы используются почти во всех типах электронного оборудования, а также эти транзисторы используются в нескольких приложениях, некоторые из них включены или Выключатели общего назначения, драйвер светодиодного диода, драйвер реле, функция отключения звука, схемы таймера, инфракрасный диодный усилитель, цепи питания смещения и т. Д.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Малые переключающие транзисторы

Малые переключающие транзисторы - это транзисторы, которые в основном используются для переключения, после чего также используются для усиления. Как и малосигнальные транзисторы, небольшие переключающие транзисторы также доступны в форме NPN и PNP, и этот тип транзисторов также имеет значения hFE. Диапазон значений hFE для этих транзисторов составляет от 10 до 200. При значении hFE 200 транзисторы не являются хорошими усилителями, хотя они действуют как лучшие переключатели.Значения тока коллектора колеблются от 10 до 1000 мА. Эти транзисторы используются в основном в коммутационных устройствах.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-switching-transistor.png 

НАЗАД В начало

Силовые транзисторы

Транзисторы, которые используются в усилителях большой мощности и источниках питания, называются «усилителями мощности. ». Коллекторный вывод этого транзистора подключен к основанию металлического устройства, и эта структура действует как теплоотвод, который рассеивает избыточную мощность для приложений.

Эти типы транзисторов доступны в виде транзисторов NPN, PNP и Дарлингтона. Здесь значения тока коллектора колеблются от 1 до 100А. Диапазон рабочих частот от 1 до 100 МГц. Значения мощности этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 300 Вт. Само название транзистора указывает на то, что силовые транзисторы используются в приложениях, где требуются высокая мощность, высокое напряжение и большой ток.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Power-transistors.png 

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Высокочастотные транзисторы

Высокочастотные транзисторы используются для малых сигналов, которые работают на высоких частотах, и они используются в приложениях высокоскоростной коммутации. Высокочастотные транзисторы также называют РЧ-транзисторами. Эти транзисторы имеют максимальные значения частоты около 2000 МГц. Значение тока коллектора (IC) колеблется от 10 до 600 мА. Эти типы транзисторов также доступны в форме NPN и PNP. Они в основном используются в приложениях с высокочастотными сигналами, а также эти транзисторы должны быть включены или выключены только на высоких скоростях.Эти транзисторы используются в схемах генераторов и усилителей HF, VHF, UHF, CATV и MATV.

 Ссылка на ресурс: learningabouelectronics.com/images/High-frequency-transistors.jpg 

НАЗАД В начало

Фототранзистор

Фототранзисторы - это транзисторы, которые работают в зависимости от света, что означает, что эти транзисторы легкие чувствительный. Обычный фототранзистор представляет собой не что иное, как биполярный транзистор, который содержит светочувствительную область вместо клеммы базы.Фототранзисторы имеют только 2 вывода вместо обычных 3 выводов. Транзистор работает в зависимости от света. Когда светочувствительная область темна, тогда в транзисторе не течет ток, т.е. транзистор находится в выключенном состоянии.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Phototransistors.jpg 

Когда светочувствительная область подвергается воздействию света, на клемме базы генерируется небольшой ток, который вызывает протекание большого тока от коллектора к эмиттеру.Фототранзисторы доступны как в типах транзисторов BJT, так и на полевых транзисторах. Они называются фото-BJT и фото-FET.

В отличие от фото-BJT, фото-полевые транзисторы генерируют ток затвора с помощью света, который контролирует ток между выводами стока и истока. Фото-полевые транзисторы более чувствительны к свету, чем фото-полевые транзисторы. Символы фото-BJT и фото-полевых транзисторов показаны выше.

НАЗАД

Однопереходные транзисторы:

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com / images / Unijunction-transistor.png 

Однопереходные транзисторы используются только в качестве переключателей с электрическим управлением. Эти транзисторы не содержат усилительных характеристик из-за своей конструкции. Обычно это трехпроводные транзисторы. Теперь мы видим работу однопереходного транзистора. Если нет разницы потенциалов между эмиттером и одним из выводов базы (B1 или B2), то между B1 и B2 протекает небольшой ток.

Если на вывод эмиттера подается достаточное напряжение, то на выводе эмиттера генерируется большой ток, который добавляется к небольшому току между B1 и B2, что вызывает протекание большого тока в транзисторе.Здесь ток эмиттера является основным источником тока для полного тока в транзисторе. Ток между выводами B1 и B2 очень мал, по этой причине эти транзисторы не подходят для целей усиления.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩАЯ - ВВЕДЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩАЯ - ТРАНЗИСТОР NPN

Основы транзисторов

Основы транзисторов

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ УКАЗАТЕЛЬНОЙ СТРАНИЦЫ

ТРАНЗИСТОРЫ

В.Райан 2002 - 09

ФАЙЛ PDF - НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ПЕЧАТНОЙ ВЕРСИИ РАБОЧАЯ ТАБЛИЦА НА ОСНОВЕ УПРАЖНЕНИЯ НИЖЕ

Транзисторы можно рассматривать как разновидность переключателя, так как может много электронных компонентов. Они используются в различных схемах и вы обнаружите, что схема, построенная в школе, Технологический отдел не содержит хотя бы одного транзистора.Они есть центральный для электроники и бывает двух основных типов; НПН и ПНП. Большинство схемы обычно используют NPN. Существуют сотни работающих транзисторов. при разных напряжениях, но все они попадают в эти две категории.

ДВА ПРИМЕРА РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ ТРАНЗИСТОРА

Транзисторы производятся разной формы, но у них есть три отведения (ножки).
BASE - вывод, отвечающий за активацию транзистора.
КОЛЛЕКТОР - положительный вывод.
EMITTER - отрицательный вывод.
На схеме ниже показан символ транзистора NPN . Они не всегда располагайте так, как показано на схемах слева и справа, хотя вкладка на типе, показанном слева, обычно находится рядом с эмиттер.

Выводы на транзистор не всегда может быть в таком расположении. При покупке транзистор, в направлениях обычно четко указывается, какой вывод является БАЗА, ЭМИТТЕР или КОЛЛЕКТОР.

ПРОСТОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРА

ДИАГРАММА 'A'

ДИАГРАММА 'B'

На схеме A показан NPN-транзистор, который часто используется как переключатель.Небольшой ток или напряжение на база позволяет большему напряжению проходить через два других вывода (с коллектора на эмиттер ).

Схема, показанная на схеме B , основана на транзисторе NPN. При нажатии переключателя ток проходит через резистор в база транзистора. Затем транзистор пропускает ток. течет с +9 вольт на 0вс, и лампа загорается.

Транзистор должен получить напряжение на своей базе и до тех пор, пока такое бывает, лампа не горит.

Резистор присутствует для защиты транзистора, так как они могут быть повреждены легко из-за слишком высокого напряжения / тока. Транзисторы необходимы компонент во многих схемах и иногда используется для усиления сигнала.

БОЛЬШЕ НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ТРАНЗИСТОРЫ (ПАРЫ ДАРЛИНГТОНА)

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ УКАЗАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНИКИ СТР.

Конструкция транзистора

Транзистор Строительство


Транзисторы используются для усиления или переключения электронных сигналов.Там в основном два типа транзисторов:

  • Переход транзистор
  • Балл контактный транзистор

Junction транзисторы часто используются из-за их небольшого размера и жесткость. Переходные транзисторы снова классифицируются на два типа:

  • НПН транзистор
  • PNP транзистор

Оба транзисторы npn и pnp имеют три клеммы: эмиттерная, базовая и коллекторная.

транзистор можно построить с помощью одного из пяти основных приемов. На основе этих методов они классифицируются как:

  • Выращенный переходной транзистор
  • Сплав переходной транзистор
  • Распространение переходной транзистор
  • Эпитаксиальный переходной транзистор
  • Балл контактный переходный транзистор

Заросший переход транзистор

транзистор с выращенным переходом был разработан 23 июня 1948 г. Уильям Шокли.Он был разработан через полгода после первого биполярный точечный транзистор.

Чохральский техника используется для формирования двух p-n переходы выросшего переходного транзистора.

Переходный транзистор, выращенный NPN, состоит из монокристалла полупроводника материал (кремний или германий). Примесь концентрация этого полупроводникового материала изменяется во время операция рисования кристалла путем добавления атомов n-типа или p-типа как требуется.

Сплав из сплава транзистор

транзистор из сплава или переходный транзистор из сплава - германий BJT (биполярный транзистор), разработанный в General Electric и RCA в 1951 году как улучшение по сравнению с более ранними выросший переходный транзистор. Техника соединения сплава также называется слитной техникой.

Переходный транзистор из сплава состоит из тонкой пластины n-типа германиевый материал, образующий основу, с двумя точками индия (атомы акцептора) прикреплены к противоположным сторонам n-типа материал.

вся конструкция нагревается до высокой температуры, выше температура плавления индия, но ниже, чем у германия.

А крошечная часть индия растворяется и попадает в пластину n-тип материал. Таким образом, p-тип материал создается с двух сторон пластины n-типа.

верхний р-тип материал - излучатель, нижний р-тип материал коллектор, а центральный тонкий материал n-типа это база.

коллекционер (нижний материал p-типа) выполнен больше эмиттера (верхний материал p-типа), чтобы выдерживать сильный ток.

Распространение переходной транзистор

Транзистор с диффузионным переходом был разработан Bell Лаборатории в 1954 году.

распространение переходной транзистор - это транзистор, который образуется, когда Кремниевая пластина n-типа, называемая подложкой, подвергается воздействию p-типа и Газообразные примеси n-типа.

Распространение это процесс, при котором заряженные частицы вытекают из область более высокой концентрации в область более низкой концентрации. Транзисторы с диффузионным переходом используют эту диффузионную техника для формирования транзистора.

В В этом методе подложка n-типа помещается в газообразный акцепторные примеси и нагреваются.В акцепторные примеси диффундируют в подложку n-типа (коллектор) для формирования на нем слоя p-типа (базы).

Таким образом, слой p-типа (база) создается на слое n-типа (коллекционер).

вся система подвергается воздействию газообразных донорных примесей и снова греется. Донорные примеси диффундируют в p-тип layer (base), чтобы сформировать на нем слой n-типа (эмиттер).

Таким образом, слой n-типа (эмиттер) создается на слое p-типа (база).

в наконец, тонкий слой диоксида кремния нарастает по всей поверхность и фототравление, так что алюминиевые контакты могут быть сделаны для выводов эмиттера и базы.

Эпитаксиальный переходной транзистор

термин эпитаксия - это греческое слово, состоящее из двух частей, а именно «Epi», что означает «на», и «такси», что означает «заказанный». расположение'.Таким образом, эпитаксия относится к упорядоченному размещению на некоторые материалы.

В эта техника, очень тонкий слой р-типа полупроводник или n-тип полупроводник выращен на сильно легированной подложке из тот же материал. Если подложка n-типа, тонкий полупроводниковый слой n-типа выращены на субстрате. Аналогичным образом, если субстрат p-типа на поверхности выращивается тонкий полупроводниковый слой p-типа. субстрат.

Это одиночный полупроводниковый слой n-типа или p-типа образует коллектор, на котором могут быть расположены базовая и эмиттерная области. рассеянный.

наиболее часто используемые эпитаксиальные методы выращиваются диффузно типы, диффузионные типы сплавов и эпитаксиальные типы эмиттеров сплава базовые транзисторы.

Контактное лицо переходной транзистор

точечный транзистор был первым типом транзистора в истории построен.Его разработал Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли в Bell Laboratories в декабре. 1947.

Точечный транзистор состоит из блока германия полупроводник, с двумя очень близко расположенными золотыми контактами, удерживаемыми против него пружиной. Прикреплена небольшая полоска золотой фольги. над точкой пластикового треугольника.

германий материал имеет избыток электронов.Когда электрический сигнал проходит через золотую фольгу, вводит отверстия в n-тип германий. Это создает тонкий слой полупроводника p-типа поверх полупроводниковый слой n-типа.

Небольшой ток, приложенный к один из двух контактов оказал влияние на протекание тока между другим контактом и основанием, на котором блок германий был установлен.

А небольшое изменение тока первого контакта вызывает большее изменение тока второго контакта. Таким образом, он действует как усилитель звука.

первый контакт - эмиттер, второй контакт - коллекционер. Слаботочная входная клемма является эмиттером, в то время как сильноточные выходные клеммы - это база и коллектор.


Новые структуры транзисторов на 3/2 нм

Несколько литейных производств продолжают разрабатывать новые процессы на основе транзисторов следующего поколения с универсальным затвором, включая более совершенные версии с высокой мобильностью, но внедрение этих технологий в производство будет трудным и дорогостоящим.

Intel, Samsung, TSMC и другие компании закладывают основу для перехода от сегодняшних FinFET-транзисторов к новым полевым транзисторам с полевым затвором (GAA FET) на узлах 3 и 2 нм, начиная со следующего года или в 2023 году. GAA Полевые транзисторы обещают лучшую производительность, меньшую мощность и меньшую утечку, и они потребуются при длине волны менее 3 нм, когда у плавниковых транзисторов закончится пар. Но даже несмотря на то, что эти новомодные транзисторы считаются эволюционным шагом по сравнению с FinFET, и они находились в процессе исследований и разработок в течение многих лет, любой новый тип или материал транзистора - это огромная задача для индустрии микросхем.Производители микросхем откладывали переход на максимально возможный срок, но для продолжения сокращения требуются полевые транзисторы GAA.

В исследованиях и разработках используется несколько типов архитектур GAA, хотя поставщики сосредотачиваются на одной версии, получившей название полевых транзисторов на основе нанолистов. По сути, полевой транзистор с нанолистом - это полевой транзистор с ребрами, обернутый вокруг него, что обеспечивает более производительные микросхемы при более низкой мощности.


Рис. 1: Планарные транзисторы в сравнении с FinFET и затвором по всему периметру Источник: Lam Research

«Технология GAA имеет решающее значение для непрерывного масштабирования транзистора.Ключевой характеристикой 3-нм GAA является пороговое напряжение, которое может составлять 0,3 В. Это позволяет значительно улучшить коммутацию при более низком энергопотреблении в режиме ожидания по сравнению с 3-нанометровыми полевыми транзисторами, - сказал Хендель Джонс, генеральный директор IBS. «Затраты на разработку продукта для 3-нм GAA не должны существенно отличаться от 3-нм FinFET. Но ключевой проблемой является квалификация IP для GAA, которая будет стоить в 1,5 раза больше, чем для 3-нм FinFET ».

Переход на любую новую транзисторную технологию является сложной задачей, и график развертывания полевых транзисторов на основе нанолистов зависит от производителя.Например, Samsung поставляет различные процессы, основанные на FinFET-транзисторах на 7 и 5 нм, с планами по внедрению нанолистов на 3 нм в 2022/2023 годах. Между тем, TSMC расширит FinFET до 3 нм, но перейдет на полевые транзисторы на основе нанолистов на 2 нм в 2024/2025 годах, согласно IBS. Intel и другие также работают над нанолистами.

Полевые транзисторы Nanosheet

состоят из нескольких компонентов, в том числе канала, который позволяет электронам проходить через транзистор. Первые полевые транзисторы с нанолистами будут состоять из традиционных канальных материалов на основе кремния, но версии следующего поколения, вероятно, будут включать в себя так называемые канальные материалы с высокой подвижностью.Эти материалы позволяют электронам быстрее перемещаться в канале, повышая производительность устройства.

Каналы с высокой мобильностью не новы и уже много лет используются в транзисторах. Но эти материалы представляют некоторые проблемы интеграции для нанолистов, и поставщики используют разные подходы к их разработке:

  • На IEDM корпорация Intel представила доклад о нанолистовом устройстве pMOS с материалами напряженных каналов кремний-германий (SiGe). Intel разработала устройство, используя то, что некоторые называют процессом «сначала канал».
  • IBM разрабатывает аналогичный нанолист SiGe, используя другой процесс "последний канал".
  • Прочие материалы канала находятся в стадии разработки.

Проблемы масштабирования микросхем
Число компаний, которые могут позволить себе производство микросхем с расширенными узлами, сокращается вместе с геометрией процесса, которая становится дороже с каждым новым узлом. Самая современная 300-миллиметровая фабрика TSMC стоила 20 миллиардов долларов.

На протяжении десятилетий индустрия ИС шла в ногу с законом Мура, удваивая плотность транзисторов каждые 18–24 месяца, чтобы добавить больше функций на кристалл.Но по мере того, как стоимость каждого нового технологического узла растет, частота шагов замедляется. Впервые это наблюдалось при 20 нм, когда у планарных транзисторов закончился пар и их нужно было заменить на FinFET, и это может замедлиться еще больше с введением полевых транзисторов GAA.

FinFET значительно помогли с утечкой тока на 22 нм и 16/14. «По сравнению с предыдущими планарными транзисторами, ребро, контактирующее с затвором с трех сторон, обеспечивает гораздо лучший контроль канала, образованного внутри ребра», - сказала Нерисса Дрегер, директор по работе с университетами Lam Research.

При 7 нм и ниже утечка статического электричества снова становится все более проблематичной, а преимущества в мощности и производительности начали уменьшаться. В прошлом производители микросхем могли рассчитывать, что спецификации транзисторов увеличатся в 0,7 раза, с увеличением производительности на 40% при той же мощности и уменьшении площади на 50%. Повышение производительности сейчас находится в диапазоне от 15% до 20%, и для получения этих результатов требуются более сложные процессы, новые материалы и другое производственное оборудование.

Чтобы снизить затраты, производители микросхем начали развертывать новые архитектуры, которые являются более разнородными, чем в прошлом, и стали более разборчивыми в отношении того, что производится на новейшем технологическом узле.Не для всех микросхем требуются полевые транзисторы. Аналоговые, радиочастотные и другие технологии построены на основе более зрелых процессов и по-прежнему пользуются большим спросом.

Но цифровая логика продолжает расти, и новые структуры транзисторов находятся в стадии исследований и разработок на уровне 3 нм и выше. Большой вопрос в том, сколько компаний будут продолжать финансировать это продолжающееся сокращение функций и насколько эффективно эти чипы с расширенными узлами могут быть интегрированы с более зрелыми процессами в одном пакете или системе.

«Это действительно об экономике», - сказал Вальтер Нг, вице-президент по развитию бизнеса UMC.«В современных узлах затраты на полупроводниковые пластины астрономические, поэтому немногие клиенты и немногие приложения могут позволить себе воспользоваться преимуществами дорогостоящих технологических процессов. Даже для клиентов, которые могут позволить себе такую ​​стоимость, некоторые размеры кристаллов выходят за рамки максимального размера сетки нитей. Это, конечно, приводит к проблемам с урожайностью ».

По-прежнему существует огромный спрос на микросхемы на конечных и передних узлах. «В индустрии микросхем наблюдается бифуркация, где потребности в суперкомпьютерах, включая глубокое обучение и другие приложения, вызывают неутолимый спрос на все большую и большую вычислительную мощность, которая будет поступать от 3-нм, 2-нм и выше, - сказал Аки Фуджимура, генеральный директор D2S.«Между тем, IoT и другие низкозатратные массовые приложения будут продолжать использовать заднюю кромку».

Почему нанолисты?
Однако на переднем крае есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть. FinFET приближаются к своему практическому пределу, когда ширина ребра достигает 5 нм, что соответствует узлу 3 нм. Контактный полистон (CPP) для FinFET-транзисторов достигает предела около 45 нм с шагом металла в 22 нм. CPP измеряет расстояние от контакта затвора одного транзистора до контакта затвора соседнего устройства.

Когда у finFET закончится пар, производители микросхем перейдут на полевые транзисторы с нанолистами на 3/2 нм и, возможно, больше. FinFET-транзисторы по-прежнему пригодны для использования в микросхемах от 16нм / 14нм до 3нм, в то время как планарные транзисторы останутся основной технологией на 22нм и выше.

Gate-all-around отличается от finFET. «Универсальные затворы или транзисторы GAA - это модифицированная структура транзисторов, в которой затвор контактирует с каналом со всех сторон и обеспечивает непрерывное масштабирование», - пояснил Дрегер Лам. «Ранние устройства GAA будут использовать вертикально уложенные нанолисты.Они построены из отдельных горизонтальных листов, окруженных со всех сторон материалами ворот. Это обеспечивает улучшенное управление каналом по сравнению с finFET ».

В полевых транзисторах с нанолистами каждый крошечный лист составляет канал. Первые полевые транзисторы на основе нанолистов будут включать материалы каналов на основе кремния для устройств pFET и nFET. Нанолисты второго поколения, вероятно, будут использовать высокоподвижные материалы для pFET, в то время как nFET продолжит использовать кремний.

Нанолистовой полевой транзистор состоит из двух или более листов.Недавно Лети продемонстрировал нанолистовой полевой транзистор с семью листами. Семикратный GAA-транзистор имеет «3-кратное улучшение по сравнению с обычными двухуровневыми многослойными нанолистовыми GAA-транзисторами», - сказал Сильвен Барро, старший инженер по интеграции в Leti.

На первый взгляд, преимущества масштабирования между 3-нанометровыми полевыми транзисторами и нанолистами кажутся минимальными. Первоначально полевой транзистор с нанолистом мог иметь CPP 44 нм с длиной затвора 12 нм.

Но нанолисты имеют ряд преимуществ перед FinFET. С помощью FinFET ширина устройства квантуется.Однако в случае нанолистов производители ИС имеют возможность изменять ширину листов в транзисторе. Например, нанолист с более широким листом обеспечивает больший ток возбуждения и производительность. Узкий нанолист имеет меньший ток возбуждения, но занимает меньшую площадь.

«Архитектура GAA улучшает управление по короткому каналу для дальнейшего масштабирования длины затвора, а уложенные друг на друга нанолисты повышают мощность привода на единицу площади», - сказал Шри Самаведам, старший вице-президент по КМОП-технологиям в Imec.

Помимо технических достоинств, полевые транзисторы с нанолистами разрабатываются на отдельных литейных заводах, что дает клиентам различные варианты, а также некоторые трудные варианты.

В настоящее время Samsung планирует представить первые в мире нанолисты с толщиной 3 нм в 2022/2023 годах. «С вероятностью 50% начальная добыча будет произведена в четвертом квартале 2022 года. Вероятность крупносерийного производства с D <0,08 составляет 60% во втором - третьем квартале 2023 года », - сказал Джонс в IBS.

Но переход на новый транзистор сопряжен с некоторыми финансовыми и временными рисками.Имея это в виду, у клиентов есть другие варианты. Например, TSMC планирует расширить finFET-транзисторы до 3-нм, а затем перейти на нанолисты.

«Samsung является явным лидером в области 3-нм GAA, но TSMC также разрабатывает 2-нм GAA на 2024–2025 годы», - сказал Джонс. «TSMC продемонстрировала отличные маркетинговые навыки, чтобы убедить ряд крупных клиентов реализовать проекты с использованием их 3-нм технологии FinFET».

Тем не менее, стоимость разработки микросхем на 5/3 нм и выше астрономическая. Поэтому клиенты ищут альтернативы, например, усовершенствованную упаковку.

«Поскольку масштабирование микросхемы делает все более трудным создание транзисторов меньшего размера в новых узлах, акцент сместился на другие области, где вы можете получить преимущества более низкого энергопотребления, скорости и большего объема памяти в области упаковки», сказал Субодх Кулкарни, президент и главный исполнительный директор CyberOptics.

Изготовление нанолистов
В какой-то момент ведущие поставщики ИС перейдут на архитектуры GAA, такие как нанолисты, которые являются новыми и связаны с различными производственными проблемами.

«Как и переход от планарного к finFET, переход от finFET к GAA будет трудным, но только в нескольких очень специфических аспектах», - сказал Дэвид Фрид, вице-президент по вычислительным продуктам Lam Research. «При переходе к FinFET большой проблемой была оптимизация устройства на вертикальной боковой стенке, поэтому возникло множество проблем, связанных с подготовкой поверхности и наплавкой. Теперь, с помощью GAA, мы должны оптимизировать устройство на нижней стороне конструкции. Эти же проблемы подготовки поверхности и наплавки становятся здесь еще более сложными.”

Etch, процесс удаления материалов из конструкций, также является сложной задачей. «С планарными устройствами это обычно было довольно ясно, когда вам требовался изотропный (конформный) процесс по сравнению с процессом, который является анизотропным (направленным)», - сказал Фрид. «С finFET все стало немного сложнее. С GAA эта проблема становится действительно сложной. Некоторые процессы должны быть изотропными в некоторых местах, например, травление под нанопроволокой / листом, а также анизотропными. Это становится проблемой процесса и проблемой интеграции.”


Рис. 2: Технологический процесс для многослойных полевых транзисторов с нанолистами. Источник: Leti / Semiconductor Engineering .

Процесс создания полевого транзистора с нанолистом начинается с формирования сверхрешеточной структуры на подложке. Эпитаксиальный инструмент наносит на подложку чередующиеся слои SiGe и кремния. Как минимум, стопка должна состоять из трех слоев SiGe и трех слоев кремния.

Следующим шагом будет создание крошечных вертикальных ребер в структуре сверхрешетки.Каждый плавник отдельный с промежутком между ними. В потоке фабрики ребра формируются с помощью литографии в крайнем ультрафиолете (EUV) с последующим процессом травления.

«Транзистор GAA хорош настолько, насколько хорош его самый слабый канал, поэтому требуется индивидуальная метрология контроля размеров нанолиста», - сказал Скотт Гувер, старший директор по стратегическому маркетингу продуктов в Onto Innovation. «Формирование ребер через сверхрешетку требует индивидуального контроля слоя для толщины, состава и компакт-дисков из силиконовых листов.”

Затем следует один из самых сложных этапов - формирование внутренних распорок. Во-первых, внешние части слоев SiGe в сверхрешеточной структуре углубляются с использованием процесса бокового травления. Это создает небольшие пространства, заполненные диэлектрическими материалами.

«Контролировать вариации процесса травления внутренней прокладки в углублении очень сложно, потому что нет остановки травления», - сказал Роберт Кларк, старший сотрудник технического персонала компании TEL. «В идеале, вы пытаетесь врезать жертвенный эпи между нанопроводами только там, где он проходит через прокладки на боковых стенках, а затем заменять этот эпи слой диэлектрической внутренней прокладкой.Это критическая выемка размером ~ 5 нм без прямой видимости и без остановки травления. Это процесс, эквивалентный прогулке по канату без сети ».

Есть и другие проблемы. «Внутренний разделительный модуль имеет решающее значение для определения основных характеристик конечного транзистора, а управление этим модулем имеет решающее значение для минимизации изменчивости транзистора. Внутренний разделительный модуль обеспечивает контроль эффективной длины затвора, а также изолирует затвор от эпи истока / стока », - сказал Эндрю Кросс, директор по решениям для управления технологическим процессом в KLA.«Во время этого модуля SiGe вдавливается, затем размещаются внутренние прокладки и утопляются. На каждом из этих этапов формирования внутренней прокладки точный контроль формы и CD углублений и окончательной выемки прокладки имеет решающее значение для обеспечения правильной работы устройства. Более того, контроль требуется для каждого отдельного канала в стеке ».

Затем формируются исток / сток, за которым следует процесс освобождения канала. Для этого слои SiGe в сверхрешеточной структуре удаляются с помощью процесса травления.Остались слои или листы на основе кремния, из которых состоят каналы.

«На этом этапе структуры GAA отделяются друг от друга, что может привести к сложным типам скрытых дефектов, таким как остатки между нанолистами, повреждение нанолистов или выборочное повреждение областей истока / стока, прилегающих к самим нанолистам», - сказал Кросс.

Есть еще больше проблем. «Освобождение канала требует индивидуального контроля высоты листа, эрозии углов и изгиба канала», - сказал Гувер Онто.

В конструкцию нанесены материалы High-k / с металлическими затворами. И, наконец, формируются медные межсоединения, в результате чего получается полевой транзистор с нанолистом. «Другие модули, которые могут измениться, - это изоляция дна устройства и металл / слои рабочих функций для размещения нанолистов, но они в основном полагаются на процессы, которые уже были известны / разработаны в отрасли и не считаются такими сложными, как формирование внутренней прокладки. Конечно, даже модули, которые не являются новыми и не претерпевают радикальных изменений, продолжают становиться все сложнее и сложнее по мере масштабирования устройств », - сказал Кларк из TEL.

Устройства с высокой мобильностью
Первые полевые транзисторы на основе нанолистов будут включать в себя кремниевые каналы. Теоретически эти нанолисты предположительно превосходят finFET-транзисторы, но это не всегда так.

«Переходя от finFET к нанолистам, мы наблюдали значительное улучшение подвижности электронов (для nFET). Проблема может заключаться в ухудшении подвижности дырок pFET. Это то, к чему мы должны обратиться », - сказал Николя Лубе, менеджер отдела исследований и разработок в области оборудования и единичных процессов в IBM.

Другими словами, производителям микросхем необходимо улучшить характеристики pFET в нанолистах. Поэтому поставщики разрабатывают полевые транзисторы на нанолистах второго поколения с улучшенными полевыми транзисторами. Нанолисты второго поколения будут продолжать использовать кремниевые каналы для nFET, поскольку они обеспечивают более чем достаточную производительность.

Чтобы увеличить pFET, производители микросхем работают над материалами каналов с высокой мобильностью. Ведущим претендентом на материал является SiGe, хотя материалы III-V, германий и другие технологии находятся в стадии разработки.

«Напряженный SiGe недавно стал многообещающей альтернативой кремнию с каналом pFET благодаря своей превосходной мобильности отверстий и продуманной обработке с учетом массового производства», - сказал Ашиш Агравал, инженер по устройствам в Intel, в статье.

Чтобы интегрировать эти материалы в устройства, производители микросхем реализуют так называемые процессы инженерии деформации в фабриках. Деформация - это тип напряжения, который прикладывают к кремнию для улучшения подвижности электронов.

Штамм-инженерия не новость.В течение многих лет производители микросхем использовали в канале стрессоры из сплава SiGe для повышения мобильности носителей. «Инженерия деформаций была одним из ключевых методов в технологиях CMOS», - сказал Сёго Мочизуки, старший научный сотрудник IBM. «В узле 90 нм рост эпителия исток-сток вызвал деформацию в канале, чтобы повысить мобильность. Он все еще используется в FinFETs ».

Поэтому вполне естественно, что производители микросхем представят материалы для деформационных каналов SiGe в транзисторах GAA следующего поколения, но это добавляет некоторые новые проблемы.«Мы предлагаем заменить канальный кремний канальным SiGe. Это может помочь повысить напряжение и подвижность. Кроме того, это нововведение помогает устройству со сверхнизким напряжением питания получить превосходную надежность, которую нельзя обеспечить с помощью инженерии базовой деформации эпитаксии сток-сток », - сказал Мочизуки. «Самая большая проблема для нанолистов с новыми материалами каналов - это обеспечение однородности и структурной целостности материалов, а также обеспечение совместимости материалов новых каналов с последующим процессом.”

Кроме того, существует несколько способов создания каналов SiGe pFET, в том числе процесс «канал первым» и «канал последним».

На IEDM Intel представила доклад о SiGe-нанолисте pMOS на буфере с релаксацией напряжения (SRB). Канал нанолиста основан на деформированном сжатием SiGe со смесью Si0,4Ge0,6. Устройство pMOS состоит из листа толщиной 5 нм с длиной затвора 25 нм.

Для этого формирование каналов происходит на ранних или первых стадиях обычного процесса нанолистов.Во многих отношениях это процесс первого канала SiGe.

Процесс Intel начинается с подложки толщиной 300 мм. На подложке выращен слой SRB на основе SiGe. Затем на слое SRB выращиваются чередующиеся слои сжимаемого Si0,4Ge0,6 и растяжимого кремния.

Это создает структуру сверхрешетки, которая формирует основу канала SiGe для pFET. «В этой работе мы демонстрируем скрытый глобальный стрессор Si0,7Ge0,3 SRB, вызывающий деформацию сжатия в нанолистах Si0,4Ge0,6 pFET, что приводит к усилению переноса дырок», - сказал Агравал из Intel.

Другой термин для SRB - виртуальный субстрат. «Традиционно кремниевая подложка определяет постоянную решетки всех эпитаксиальных слоев, нанесенных или выращенных поверх нее. Характер деформации в канале и истоке / стоке определяется относительной разницей постоянной решетки между этим слоем по отношению к кремниевой подложке », - сказал Агравал. «В случае SRB или виртуальной подложки мы изменили постоянную решетки самой подложки, выращивая релаксированный Si 0.7 Ge 0,3 буфер на кремниевой подложке. Все последующие слои, нанесенные поверх этого буфера, будут деформированы относительно Si 0,7 Ge 0,3 . Изменяя постоянную решетки подложки в виде релаксированного буфера Si 0,7 Ge 0,3 , мы можем получить КМОП-матрицу с напряженным нанолистом ».

Другие используют другие подходы. Например, на IEDM IBM представила статью о нанолистовом pFET с напряженным каналом SiGe с использованием процесса «последний канал».

Используя этот подход, нанолист IBM pFET продемонстрировал 100% -ное увеличение максимальной подвижности дырок с соответствующим уменьшением сопротивления канала на 40% при сохранении подпороговой крутизны ниже 70 мВ / дек.


Рис. 3: Изображение поперечного сечения STEM и карта элементов EDX многослойного канала SiGe NS с толщиной 4 нм Si 0,65 Ge 0,35 эпитаксиальный рост вдоль столба затвора M1. Wsheet = 40 нм. Источник: IBM

IBM разработала канал SiGe в последней части процесса, а не в начале.«Мы поняли, что начало эпитаксии роста SiGe на ранней стадии процесса неэффективно для деформации. Это также усложняет и увеличивает стоимость процесса интеграции », - сказал Мочизуки из IBM. «Благодаря нашей новой технике напряжение в слое SiGe сохраняется. Это происходит потому, что этот процесс основан на схеме последней эпитаксии SiGe, которая необходима для повышения производительности ».

В частности, IBM разрабатывает каналы SiGe позже и после процесса выпуска каналов. «После освобождения канала кремниевый нанолист обрезается как по горизонтали, так и по вертикали.Затем мы оборачиваем обрезанный кремниевый нанолист пленкой SiGe, известной как SiGe-оболочка », - сказал Мочизуки. «Окончательная структура имеет оболочку из SiGe с тонкой сердцевиной из кремниевого нанолиста. Ограничивая носители в слое оболочки SiGe, мы можем добиться улучшения подвижности носителей в напряженном канальном слое SiGe ».

Заключение
Gate-all-around имеет несколько производственных проблем, а стоимость настолько высока, что неясно, сколько производителей микросхем смогут себе это позволить.К счастью, это не единственный вариант на столе. Усовершенствованная упаковка и новая архитектура устройств почти наверняка будут играть большую роль для нынешних и будущих устройств.

Тем не менее, ни одна технология не может удовлетворить все потребности. Так что, по крайней мере, на данный момент отрасль, вероятно, примет их всех.

Связанные
GAA FET Knowledge Center
Дорожная карта нового поколения индустрии микросхем
Новый генеральный директор SRC проливает свет на проекты следующего поколения, включающие все, от чиплетов до гиперпространственных вычислений и смешанной реальности.
Изготовление микросхем на 3 нм и выше
Множество новых технологий, проблем и неопределенностей по мере того, как продолжается масштабирование устройств.
Угроза изменений в расширенных узлах и пакетах
Сложные взаимодействия и более жесткие допуски могут повлиять на производительность, мощность и ожидаемый срок службы.
Задачи при укладке, усадке и проверке микросхем нового поколения
Один на один с техническим директором Ламом Риком Готчо.


Транзистор - обзор | Темы ScienceDirect

1.2.4 Сильная инверсия

Сильная инверсия емкости МОП происходит, когда В G превышает В TH .В этой ситуации как φ s , так и W dep не изменяются значительно от режима обеднения, поскольку любое небольшое изменение приводит к большой плотности электронов (или дырок). Это означает, что уравнение V G изменяется следующим образом:

(1,7) VG = Vfb + 2ϕB − QdepCox − QinvCox = Vfb + 2ϕB + qNa2ɛs2ϕBCox − QinvCox

Краткое описание всех режимов работы (как описано 1.4), включая сильную инверсию, проиллюстрирована на рис.1.5.

Рис. 1.5. На рисунке показан обзор различных режимов работы MOS.

В транзисторе не происходит транспортировка носителей между выводами истока и стока ( I D = 0), когда напряжение на затвор не приложено. Например, в МОП-транзисторе, если вывод затвора установлен на положительное напряжение и В GS > В TH , то в области канала формируется градиентное напряжение, приводящее к проводимости канала, который становится достаточно большим, чтобы обеспечить перенос электронов в канале.Здесь важно отметить, что условие V DS < V GS - V TH должно выполняться во избежание защемления транзистора. В ситуации, когда В GS управляет проводимостью канала, а канал работает как переменный резистор, проводимость между истоком и стоком ( г DS ) записывается как

(1,8) gDS = 1rDS = knVGS − VTH − 12VDS

, где r DS - сопротивление между стоком и истоком.В результате индуцированный заряд ( Q ) в области канала может быть выражен как

(1,9) Q = −CoxVGS − VTH − ϕs

Канальный ток также может быть получен подвижностью носителей ( μ e ), сформированное электрическое поле ( ɛ y ) вдоль направления канала ( y ), длина канала ( Вт ) и заряд ( Q ) в канале согласно

(1.10) ID = WμeQɛywhereɛy = −dψ / dy

Следовательно, I D можно переписать следующим образом:

(1.11) IDdy = WμnCoxVGS − VTH − ψdψ⇒ID = μnCoxWLVGS − VTHVDS − 12VDS2)

или

(1,12) ID = μnɛ0ɛoxWtocLVGS − VTHVDS − 12VDS2

и

в режиме насыщения 94649

и режим насыщения I I . (1.13) IDsat = μnCoxW2LVGS − VTh3

Ур. (1.12) показывает, что I D является квадратичной функцией V DS с максимальной точкой при V TH . Это уравнение используется для определения характеристик транзистора, когда подвижность канала может быть получена из электрических измерений.

nMOS-транзистор имеет три режима работы со следующими условиями, как показано на рис. 1.6:

Рис. 1.6. I - В кривые n-канального MOSFET в различных режимах работы [4].

1.

Отсечка: возникает, когда В GS < В TH и ток канала I D = 0 A

Это состояние, когда транзистор находится в режиме выключения.Более подробное исследование с использованием распределения Ферми-Дирака показывает, что некоторые электроны с тепловой энергией в источнике могут перемещаться внутри области канала и течь в сток. Это вызывает подпороговый ток, который действует как экспоненциальная функция от В SG . Допороговый ток считается током утечки, поскольку I D должен быстро приближаться к нулю, когда транзистор выключен [5,6]:

(1.14) ID≅ID0eVGS − VTHnVT

, где I D0 тока, а коэффициент наклона n записывается как:

(1.15) n = 1 + CDCox

, где C D и C OX - емкости обедненного слоя и оксидного слоя соответственно. Поскольку подпороговое напряжение I - В экспоненциально зависит от порогового напряжения, оно делает его уязвимым для любых изменений в структуре транзистора, таких как толщина оксида затвора, легирование корпуса транзистора и глубина перехода.

2.

Триодный или линейный режим возникает, когда условие 0 < В DS < В GS - В TH и большая проводимость и транспорт носителя установлен по каналу транзистора с током I D .

3.

Режим насыщения: возникает, когда V GS > V TH и V DS V GS - V TH . Это также источник тока, управляемый напряжением, и I D можно переписать как I D = (1/2) k n ( V GS - V TH ) 2 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *