Ключевой режим работы МОП-транзистора

Рассмотрим работу ключа на МОП-транзисторе с n -каналом, изготовленного на кремнии р -типа. (рисунок 5,а) При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, ток стока оказывается ничтожно малым. Это означает, что транзисторный ключ закрыт, напряжение сток-исток максимально, что соответствует логической единице (рисунок 5,б, строка 1).

Подача на затвор положительного относительно истока напряжения приводит к отталкиванию основных носителей - дырок - от поверхности полупроводника и притяжению к поверхности неосновных носителей – электронов (режим обеднения). При определенном значении напряжения на затворе относительно истока (пороговое напряжение U_{ЗИ пор}) концентрация электронов у поверхности становится выше концентрации дырок, и проводимость поверхностного слоя меняется с дырочной на электронную (режим инверсии). При этом в поверхностном слое возникает проводящий n -канал и появляется заметный ток стока. Чем больше напряжение на затворе, тем больше инверсия и тем больше ток, протекающий через транзистор. При этом падает напряжение между истоком и стоком - транзисторный ключ открыт, что соответствует логическому нулю (рисунок 5,б строка 2).

Недостатком данных ключей является наличие резисторов, которые занимают в подложке значительно больше места, чем транзистор. Поэтому наиболее широко применяются интегральные микросхемы, у которых вместо резистора также применяется МОП - транзистор, но с каналом другого типа проводимости. Такие взаимодополняющие структуры получили название комплементарных МОП – пар (рисунок 6).

Если на затворы такой МОП-пары подать сигнал логического нуля, то в транзисторе VT2 (c каналом n -типа проводимости) канал будет отсутствовать, а в транзисторе VT1 с каналом p -типа канал будет индуцирован, т. к. на затворе относительно истока будет действовать отрицательное напряжение. Через этот канал выход Y соединяется с плюсом источника питания ИП, и на выходе будет высокий уровень логической единицы.

При подаче на вход логической единицы канал в транзисторе VT1 исчезает, а в VT2 канал индуцируется и через этот канал соединяется с нулевым потенциалом общего провода, следовательно, на выходе будет логический ноль.

Достоинства комплементарной МОП – пары – отсутствие резисторов, что позволяет повысить степень интеграции; очень малое потребление тока, т. к. между плюсом и минусом источника питания всегда оказывается транзистор, у которого нет канала.

 

История и современность

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1928 году Юлиу

сом Лилиенфельдом (рисунок 7).

Автор изобретения указал в патенте, что сопротивление канала (слой полупроводникового CuS) управляяется путем подачи напряжения на затвор транзистора, что полностью отвечает современным представлениям о работе полевого транзистора. Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в серийное производство из-за низкого уровня полупроводниковой технологии того времени.

Полевые транзисторы стали стремительно развиваться и внедряться в 70-е годы XX века, когда был достигнут прогресс в развитии физики, техники и технологии полупроводников. Транзисторы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) в рамках интегральной технологии.

Наиболее ярко фантастически быстрое развитие полупроводниковой электроники отражено в так называемом «Законе Мура», согласно которому количество транзисторов в микросхемах должно удваиваться каждые два года. Гордон Мур сделал это предсказание в 1965 году, когда самая сложная микросхема содержала всего 65 транзисторов. И тем удивительнее, что этот закон выполняется уже в течение сорока пяти лет. Число транзисторов в современных микропроцессорах уже достигло двух миллиардов (рисунок 8).

Эмпирическая формула закона Мура имеет вид

 

.

Простые расчеты показывают, что для 2010 года количество транзисторов в микропроцессоре составит N = 1 000 000 000 (один миллиард). В действительности эта цифра превзойдена уже в 2006 году.

Особенностью полевых транзисторов является малое энергопотребление, что и позволяет размещать на кристалле площадью (1 ÷ 2)см² сотни миллионов и миллиарды транзисторов. Размеры современных МОП-транзисторов уменьшены до 32 нм, что в десять раз меньше длины волны ультрафиолетового излучения, с помощью которого получаются рисунки микропроцессоров. Уменьшение длины канала МОП-транзисторов коммерческих интегральных схем представлено на рисунке 9.

Напряжение питания микропроцессоров за это время уменьшилось на порядок - с 12 В до 1,2 В, но в связи с увеличением числа транзисторов потребляемая мощность возросла более, чем в пятьдесят раз – с 0,2 до 100 Вт. Однако значительная часть этой мощности (более 20%) рассеивается бесполезно, так как связана с токами утечки (в основном через подзатворный окисел миллионов транзисторов). Выход был найден в замене окисла кремния, толщина которого составляет 1,2 нм (что эквивалентно пяти атомным слоям) на материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости (High k) – двуокись гафния (рисунок 10). Это позволило увеличить толщину окисла до 3 нм и снизить токи утечки в сотни раз. Специалисты фирмы Intel называют данное решение революционным. А в перспективе они планируют перейти на размер 22 нм (2011 год) и 16 нм (2013 год).

 

Схема установки

Схема установки для исследования характеристик полевого транзистора представлена на рисунке 11. Она содержит исследуемый транзистор VT1, регулятор напряжения сток-исток R1, источник напряжения смещения GB1, подаваемого на затвор транзистора, вольтметр PV для измерения напряжения сток-исток и микроамперметр PA для измерения тока стока.