Полевые (MOSFET) транзисторы

Определение

Полевой транзистор (англ. Field-Effect Transistor, FET) – это полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется с помощью электрического поля. В отличие от биполярных транзисторов, где ток управляется с помощью зарядовых носителей обоих знаков (электронов и дырок), в полевом транзисторе ток протекает в канале благодаря носителям одного типа (электронам или дыркам), а величина этого тока регулируется напряжением на управляющем (затворном) электроде.

История создания и разработки MOSFET-транзистора

Концепция полевого транзистора зародилась задолго до его физической реализации. Ещё в 1925 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал патент на устройство, напоминающее принцип работы полевого транзистора, а в 1934 году Оскар Хейл предложил аналогичную идею. Однако технологии первой половины XX века не позволяли воплотить эти замыслы в жизнь из-за недостаточной чистоты полупроводниковых материалов и отсутствия методов точного контроля их свойств.

Прорыв произошёл в 1947 году, когда в Bell Labs был изобретён биполярный транзистор, но учёные продолжали искать более эффективные альтернативы. В 1950-х годах ключевым шагом стал переход от германия к кремнию. Оксид кремния (SiO₂), способный формировать стабильный изолирующий слой, оказался идеальным диэлектриком для создания структуры «металл-оксид-полупроводник». Это открыло путь к разработке MOSFET.

Первый рабочий образец такого транзистора был создан в 1959 году инженерами Bell Labs Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом. Их устройство использовало напряжение на затворе для управления проводимостью канала между истоком и стоком, что стало возможным благодаря прогрессу в очистке кремния и развитию фотолитографии. Уже в 1960 году коллеги Аталлы и Канга, Карл Фрош и Линкольн Дерик, предложили планарную технологию, которая легла в основу интегральных микросхем.

К 1963 году Фрэнк Ванлас и Стивен Хофштейн разработали коммерческие версии MOSFET, а к концу 1960-х годов на его основе была создана КМОП-технология (комплементарная логика), резко снизившая энергопотребление электроники. Однако с миниатюризацией транзисторов, предсказанной законом Мура, возникли новые вызовы: утечки тока, эффекты короткого канала, ограничения SiO₂. В 1990-х и 2000-х годах эти проблемы частично решили за счёт внедрения High-k диэлектриков (например, оксида гафния) и металлических затворов.

В 2010-х годах эволюция MOSFET перешла в эру 3D-структур: FinFET и транзисторы с затвором, обёрнутым вокруг канала (GAAFET), позволили улучшить контроль над электронами в наноразмерных устройствах. Сегодня MOSFET остаётся основой микроэлектроники, обеспечивая работу процессоров, памяти и IoT-устройств. Современные исследования сосредоточены на материалах вроде графена и дисульфида молибдена (MoS₂), а также на квантовых технологиях, которые могут стать следующим шагом в эволюции транзисторов.

Роль Bell Labs, Intel, TSMC и IBM в этой истории невозможно переоценить: именно их инженеры и учёные превратили MOSFET в символ технологической революции.

Общая информация

Полевые транзисторы можно рассматривать как устройства, управляемые зарядом: в обоих случаях это трёхвыводные элементы, в которых проводимость между двумя электродами определяется наличием носителей заряда, контролируемых напряжением на третьем управляющем электроде.

В биполярном транзисторе коллекторно-базовый переход смещён в обратном направлении, из-за чего ток через него в обычных условиях не протекает. Подав напряжение около 0,6 В на базо-эмиттерный переход, можно преодолеть его потенциальный барьер, что приведёт к инжекции электронов в область базы, откуда они, под воздействием электрического поля, устремляются к коллектору. Хотя в процессе возникает небольшой базовый ток, большая часть этих носителей заряда улавливается коллектором, формируя коллекторный ток, который пропорционален скорости инжекции зарядов в область базы. Эта зависимость описывается уравнением Эберса-Молла, в котором ток коллектора экспоненциально зависит от напряжения база-эмиттер V_BE. Таким образом, биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока с коэффициентом усиления β или как управляемое напряжением проводящее устройство.

В отличие от этого, в полевом транзисторе управление проводимостью осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе. В такой схеме отсутствуют прямосмещённые p-n-переходы, поэтому ток через затвор практически не протекает, что является ключевым преимуществом FET. Как и у биполярных транзисторов, существуют две полярности: n-канальные транзисторы, где основными носителями заряда являются электроны, и p-канальные транзисторы, в которых ток переносится дырками. Они аналогичны npn- и pnp-биполярным транзисторам. Дополнительную сложность в изучении FET создаёт то, что они могут быть построены на основе двух различных типов управляющих электродов (JFET и MOSFET) и работать в двух режимах – обеднённом и обогащённом, что мы рассмотрим далее.

Главной особенностью FET является отсутствие тока на затворе, что обеспечивает крайне высокое входное сопротивление (вплоть до 10¹⁴ Ом). Это качество делает такие транзисторы незаменимыми в схемах аналоговых ключей и усилителей с ультравысоким входным импедансом. Они легко комбинируются с биполярными транзисторами, образуя интегральные схемы. В следующей главе будет рассмотрено, как FET сыграли ключевую роль в создании практически идеальных и удобных в применении операционных усилителей. В главах 10–14 речь пойдёт о том, как цифровая электроника была преобразована за счёт интегральных схем на основе MOSFET. Благодаря малому потреблению тока и высокой плотности интеграции эти транзисторы широко применяются в микропроцессорах, запоминающих устройствах и специализированных чипах, используемых в смартфонах, телевизорах и другой электронике. С другой стороны, мощные MOSFET, рассчитанные на токи более 50 А, заменили биполярные транзисторы во многих схемах, предлагая при этом упрощённую конструкцию и улучшенные характеристики.

Характеристики FET

Разнообразие полевых транзисторов может показаться запутанным из-за сочетания нескольких факторов: полярности (n-канальный или p-канальный), типа изоляции затвора (p-n переход в JFET или оксидный слой в MOSFET) и характера легирования канала (режим обогащения или обеднения). В результате возможны восемь комбинаций, из которых шесть технически реализуемы, а пять широко используются. Четыре из них имеют наибольшее практическое значение.

Для лучшего понимания стоит сначала рассмотреть один конкретный тип FET. Освоив его принципы работы, разобраться в других вариантах будет значительно проще.

Вольт-амперные характеристики FET

Рассмотрим сначала n-канальный MOSFET в режиме обогащения, который по своей работе напоминает npn-биполярный транзистор. В обычных условиях сток (аналог коллектора) имеет более высокий потенциал, чем исток (аналог эмиттера). Пока затвор (аналог базы) не станет положительным относительно истока, ток через сток-исток не течёт. При подаче положительного напряжения на затвор создаётся электрическое поле, которое открывает канал, позволяя току проходить от стока к истоку.

На графике показано, как изменяется ток стока I_D в зависимости от напряжения сток-исток V_DS при различных значениях управляющего напряжения затвор-исток V_GS. Для сравнения приведены аналогичные семейства характеристик для npn-биполярного транзистора, демонстрируя их схожесть.

Подобно биполярному транзистору, MOSFET обладает высоким дифференциальным сопротивлением стока, что приводит к приблизительно постоянному току при V_DS выше нескольких вольт. Это состояние называют «режимом насыщения» для FET, однако более корректный термин — «токовое насыщение», так как оно соответствует «активному» режиму биполярного транзистора. Как и в случае с биполярными транзисторами, увеличение смещения затвор-исток ведёт к увеличению тока стока. Однако FET не является идеальным устройством с постоянной проводимостью, так как на его характеристики влияет конечное выходное сопротивление стока r_o, аналогичное эффекту Эрли у биполярных транзисторов.

Хотя по многим параметрам FET напоминает npn-транзистор, есть и важные отличия. Во-первых, в рабочем диапазоне ток стока увеличивается относительно плавно при увеличении V_GS, следуя квадратичной зависимости

I_D \sim (V_{GS} - V_{th})^2

где V_th — пороговое напряжение затвора (примерно 1.63 В для рассматриваемого MOSFET). Это контрастирует с экспоненциальным законом биполярного транзистора, определяемым уравнением Эберса-Молла.

Во-вторых, в MOSFET отсутствует постоянный ток через затвор, поэтому он не может рассматриваться как устройство с усилением по току (фактически, коэффициент усиления по току был бы бесконечным). Вместо этого MOSFET следует воспринимать как прибор с управляемой проводимостью (транскондуктансом), где ток стока регулируется напряжением затвор-исток, аналогично тому, как это происходит в биполярных транзисторах согласно модели Эберса-Молла.

В-третьих, затвор MOSFET полностью изолирован от канала сток-исток, что позволяет ему выдерживать значительные напряжения (10 В и более) без риска пробоя p-n-перехода. Это отличает его как от биполярных транзисторов, так и от JFET, у которых p-n-переходы накладывают ограничения на диапазон напряжений.

Наконец, в области малых напряжений V_DS MOSFET ведёт себя как управляемый резистор, что делает его полезным в схемах аналоговых ключей и усилителей. Сопротивление канала сток-исток напрямую определяется напряжением затвор-исток, позволяя реализовать схемы с программируемым сопротивлением.

Примеры применения FET

Полевые транзисторы продолжают удивлять своими возможностями, но прежде чем углубляться в детали, рассмотрим два простых примера их использования в качестве ключевых элементов.

MOSFET как переключатель

MOSFET делает эту схему ещё проще, поскольку не требует компромиссов, связанных с обеспечением достаточного тока базы (учитывая наихудший вариант коэффициента усиления β и холодное сопротивление лампы), при этом избегая излишнего расхода мощности. Вместо этого на затвор подаётся полное амплитудное значение управляющего напряжения, и благодаря высокому входному сопротивлению FET этого вполне достаточно для работы схемы. Если включённый транзистор имеет сопротивление канала, значительно меньшее, чем сопротивление нагрузки, то сток будет эффективно подтягиваться к земле. В современных мощных MOSFET сопротивление канала во включённом состоянии R_ON обычно меньше 0.1 Ом, что делает их идеальными для таких задач.

Дополнительный резистор в цепи затвора часто имеет очень высокое сопротивление — 10 МОм, что эквивалентно коэффициенту усиления 100 000. Ещё одной интересной особенностью является то, что после размыкания затвора транзистор может оставаться во включённом состоянии. Это происходит из-за удержания заряда на затворной ёмкости, и напряжение на затворе сохраняется в течение длительного времени, что наглядно демонстрирует, что ток утечки затвора FET находится на уровне менее пикоампера.

MOSFET в роли аналогового ключа

Другой пример — аналоговый ключ, который невозможно реализовать с помощью биполярных транзисторов. В этой схеме MOSFET переключается между разомкнутым состоянием (когда затвор имеет отрицательное смещение относительно входного сигнала) и проводящим состоянием (когда затвор более положителен на несколько вольт). В результате аналоговый сигнал либо блокируется, либо проходит через транзистор, что позволяет управлять его передачей.

Биполярные транзисторы не подходят для таких приложений, поскольку их база потребляет ток и образует p-n-переходы с эмиттером и коллектором, вызывая нежелательные ограничения и искажения сигнала. MOSFET же существенно упрощает реализацию аналогового ключа, поскольку его затвор можно смещать в любую сторону относительно истока без протекания тока.

Однако следует учитывать, что MOSFET чрезвычайно чувствительны к статическому электричеству. При неосторожном обращении их можно вывести из строя буквально одним прикосновением, что требует соблюдения мер предосторожности при их эксплуатации.

Типы полевых транзисторов

n-канальные и p-канальные FET

Полевые транзисторы, подобно биполярным транзисторам, могут быть выполнены в двух полярностях. Зеркальной копией n-канального MOSFET является p-канальный MOSFET, который ведёт себя аналогично pnp-транзисторам. В таком устройстве сток обычно имеет отрицательный потенциал относительно истока, а ток через сток-исток протекает, если напряжение на затворе становится хотя бы на 1–2 В ниже потенциала истока.

Хотя эта структура кажется полностью симметричной, на практике существуют различия, связанные с тем, что в p-канальных FET носителями заряда являются дырки, а не электроны. Дырки обладают меньшей подвижностью и более высокой временем жизни, что приводит к некоторым техническим ограничениям. В результате p-канальные MOSFET обычно имеют худшие характеристики по сравнению с их n-канальными аналогами. Это выражается в более высоком пороговом напряжении затвора, большем сопротивлении канала во включённом состоянии (R_ON) и меньшем насыщенном токе.

MOSFET и JFET

MOSFET (Металло-оксид-полупроводниковый полевой транзистор)

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) отличается тем, что его затвор отделён от проводящего канала тонким слоем диоксида кремния (SiO₂), который играет роль электрического изолятора. Этот слой, напоминающий стекло, выращивается на поверхности канала.

В качестве материала затвора может использоваться металл или легированный кремний.

Поскольку затвор полностью изолирован от цепи сток-исток, он обладает исключительно высоким входным сопротивлением (более 10¹⁴ Ом). Управление током в канале происходит исключительно за счёт создаваемого электрического поля, что позволяет MOSFET функционировать без протекания затворного тока. Из-за этого такие транзисторы также называют полевыми транзисторами с изолированным затвором (IGFET – Insulated-Gate Field-Effect Transistor).

Изоляционный слой затвора у MOSFET очень тонкий (меньше длины волны света), но при этом способен выдерживать значительные напряжения — до ±20 В в мощных MOSFET. Однако в маломощных вариантах, применяемых в интегральных схемах низкого напряжения, этот предел ниже. Преимущество MOSFET в том, что затвор можно смещать как в положительную, так и в отрицательную сторону относительно истока, не вызывая протекания тока. Однако высокая чувствительность к статическому электричеству делает их уязвимыми — неосторожное прикосновение может повредить транзистор.

Схематическое обозначение MOSFET

На рисунке показаны различные схемные обозначения MOSFET. В некоторых случаях изображается дополнительный вывод — подложка (body, substrate), то есть кремниевый слой, в котором сформирован сам транзистор. Подложка образует p-n-переход с каналом, поэтому её потенциал должен быть удержан на уровне, исключающем проводимость. Для n-канальных MOSFET подложка обычно соединяется с истоком или с более отрицательной точкой схемы, а для p-канальных — с более положительной. В схемах вывод подложки часто опускается, что может усложнить распознавание полярности транзистора.

JFET (Полевой транзистор с p-n переходом)

В JFET (Junction Field-Effect Transistor) затвор формирует p-n переход с каналом, в отличие от MOSFET, где используется оксидный изолятор. Это накладывает важное ограничение: затвор JFET не должен быть смещён в прямом направлении относительно канала, иначе через него начнёт протекать ток. Например, если напряжение на затворе n-канального JFET приближается к +0.6 В относительно истока, начинается проводимость p-n перехода, что приводит к нежелательному току в затворной цепи. Поэтому в нормальном режиме работы затвор JFET всегда находится под обратным смещением, что предотвращает утечку тока, за исключением незначительного тока утечки через переход.

Схематическое обозначение JFET

На рисунке представлены схемные обозначения JFET. В некоторых случаях используется символ с наклонным затвором, чтобы чётко обозначить расположение истока. Это особенно важно, поскольку мощные MOSFET обычно имеют асимметричную структуру, характеризующуюся различными значениями ёмкостей и напряжений пробоя.

Режимы обогащения и обеднения

Рассматриваемые в начале главы n-канальные MOSFET в исходном состоянии не проводили ток при нулевом или отрицательном напряжении на затворе. Они начинали проводить только тогда, когда затвор становился положительным относительно истока. Такие транзисторы работают в режиме обогащения (enhancement mode).

Другой возможный вариант — создание n-канального FET с заранее легированным каналом, что делает его проводящим даже при нулевом напряжении на затворе. В этом случае для отключения тока стока необходимо подать на затвор отрицательное напряжение. Такой транзистор работает в режиме обеднения (depletion mode). MOSFET можно изготовить в обоих режимах, поскольку изолированный затвор позволяет изменять напряжение в любую сторону. В отличие от них, JFET, из-за наличия p-n-перехода между затвором и каналом, могут работать только в режиме обеднения, так как их затвор может быть только смещён в обратном направлении.

Графики зависимости тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.

В транзисторе режима обогащения ток через сток отсутствует при нулевом напряжении на затворе и начинает расти, когда затвор становится положительным относительно истока (для n-канального FET). Напротив, в транзисторе режима обеднения максимальный ток протекает уже при нулевом смещении затвора, а его снижение достигается за счёт подачи отрицательного напряжения.

Фактически, различие между этими режимами можно считать условным, поскольку их характеристики идентичны, за исключением смещения по оси V_GS. Возможны даже промежуточные варианты MOSFET, однако для практических схем важное значение имеет именно разделение на режимы.

Следует отметить, что JFET всегда работают в режиме обеднения, поскольку их затвор не может быть положительнее истока более чем на 0.5 В (для n-канального транзистора) — в противном случае откроется p-n-переход, и через затвор потечёт ток. MOSFET могут функционировать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения, однако на практике основная масса MOSFET — это транзисторы режима обогащения, а транзисторы режима обеднения встречаются реже.

Таким образом, в большинстве случаев при проектировании схем достаточно учитывать два типа:

1. JFET в режиме обеднения
2. MOSFET в режиме обогащения, доступные в двух полярностях — n-канальной и p-канальной.