Кто создал полевой транзистор

Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопро-
тивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.

Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников,
так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г. Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше). Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).

обозначения полевых транзисторов

Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом.
Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР — как это работает


варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.

В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие.

классификация мощных полевых транзисторов

Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, вы-полненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23]. Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы
КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие
напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).

структура первых советских мощных полевых транзисторов

Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью
до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию. Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными. Полевые транзисторы с их малыми ин-
термодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.

В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под
руководством автора данной статьи. Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных
устройств на них [24–26]. Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].

Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей,
расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных за-рядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.

Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульс-ном (ключевом) режиме [4–9]. Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисто-
рами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков.
В 1978 г. мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20].
По сути дела, это был первый IGBT. Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.

Скачать статью полность можно из вложения

Вложения:ФайлОписаниеРазмер файла:
2011_03_18.rar574 Кб

4 История развития полевых транзисторов

4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6

Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.

В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл

Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:

1 – управляющий электрод

2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия)

3,4 – омические контакты к полупроводнику

5 – источник постоянного тока

6 – источник переменного напряжения

Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме «BTL» (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в «BTL», а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n – перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор.

Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.

В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.

Вольт — амперная и сток — затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих — пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б — с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

Вклад Уильям Шокли

Хотя принцип полевых транзисторов была впервые запатентована Лилиенфельд и Хайль, практические полупроводникового устройства, такие как junction ворота полевой транзистор или JFET были разработаны лет спустя после транзистора эффект наблюдался, объяснил и продемонстрировал Уильям Шокли и его командой в Bell Labs в 1947 году.

Шокли усилия по коммерциализации транзистор был путь, преодолев вклад в научное общество. Во время второй мировой войны Шокли работал в исследовательских лабораториях радар в Нью-Джерси. Шокли был построен первый рабочий транзистор. Это был Германий точки транзистор серии.

Транзисторов, которые в настоящее время работают в электрических устройствах, все, полевые ТРАНЗИСТОРЫ. Полевые ТРАНЗИСТОРЫ, металло-оксидный полупроводник транзисторы field-effect. Они были впервые предложены Dawon Kahng в 1960 году и этот транзистор во многом заменил JFET и гораздо более глубокое воздействие на развитие электронной.

Как работает полевой транзистор

В полевой транзистор электрическое поле создается путем слабого электрического сигнала в нижней части транзистор, который также передается на другие части полевой транзистор.

В нижней части транзистор заполнено вверх с избытком электронов. В Центральной или базового региона, количество электронов является слишком мало когда по сравнению с нижней частью полу провода. Есть две стороны нашли, что известны как источник и сток. Исходный сторона является формой региона, где электроны ввести внутри, а так же на другой регион, слива, электроны стоки из. Обычно поток электронов производится от одной стороны к другой. Ток не отмечен рядом база региона. Ток способствует тонкий канал вдоль другого региона.

На базе полу провода электрода связан или прилагается. Тонкий слой окиси металла отделяет этот электрод от остальной части. Наиболее распространенные окиси тяжелых металлов используется это диоксид кремния. Электрод часто рассматривается как «ворота». Ворота это, где мы пройти слабый электрический сигнал в полу дирижер.

Благодаря отталкивающим действием электронов истощение зоны получает сформирована база региона. Проходя отрицательный заряд поможет полностью предотвратить прохождение электроэнергии через провод полу.

Хотя транзисторы имеют различные приложения, которые проще, они могут быть использованы в сложных местах тоже. Они также могут вести себя как усиления устройства.

Основываясь на заряд передается полу дирижер, тока, протекающего через другой регион может быть либо меньше или больше. Как еще один напряжения, подключенных к нему, есть возможные пути дальнейшего сделать его больше. Полевые транзисторы или ФЕТ часто используются в электрических устройствах, таких как микрофоны, микроволновые печи, телевизоры, радиоприемники и даже в автомобилях. Они имеют широкое применение в качестве несущей зарядов. Хотя есть много других полупроводники, кремния служит лучшим для использования в полевых транзисторов.

Транзистор отметил свое 70-летие

23 декабря 2017 года транзистору официально исполнилось 70 лет. Изобретение транзистора было, возможно, величайшим технологическим прорывом 20 столетия. Он дал нам интегральные схемы, за которыми последовали телевизоры, смартфоны и вся остальная электроника, которой мы пользуемся каждый день. Своей работой, вероятно, мы тоже обязаны изобретению транзистора. Так что, давайте воспользуемся моментом, чтобы осмыслить и отпраздновать это монументальное открытие.
Различные исторические записи говорят о том, что транзистор был изобретен 23 декабря 1947 года в лабораториях Белла компании ATбутерброд»: металл — диэлектрик — полупроводник. Металлические выводы, соединяющие области n-типа, через диэлектрик выводят наружу. Так же от подложки идет вывод, который обычно соединяют с истоком, и его потенциал принимают за нулевой.

polev1

При подаче напряжения между истоком и стоком, при нулевом напряжении на затворе (Uзи=0) , через встроенный канал (на рис. границы толщины канала: сплошная линия 1.0 — диэлектрик) будет протекать начальный ток стока Iст.нач. , который представляет собой поток электронов находящихся в канале.

Подавая положительное напряжение на затвор создаем электрическое поле которое будет притягивать электроны из подложки в канал, а дырки выталкивать из него. Канал, получая дополнительно основные носители заряда, расширяется (пунктирная линия 3(+) — диэлектрик) ; его проводимость увеличивается, Icи возрастет и транзистор работает в режиме насыщения.

При отрицательном напряжении на затворе электроны будут выталкиваются в подложку, а дырки из подложки втягиваются в канал и он обедняясь электронами, сужается ( линия 2(-) — диэлектрик) . Это приводит к уменьшению тока Iси относительно Iст.нач. Полевой транзистор переходит в режим обеднения .

МДП-транзистор с индуцированным каналом

polev2

Этот полевой транзистор выполнен без встроенного обедненного слоя полупроводника между истоком и стоком.

Поэтому, при отсутствии напряжении на затворе и подаче напряжения любой полярности на исток и сток, между ними не будет тока, т.к. один из p-n переходов, образованный р-подложкой и областями n-проводимости, закрыт.

Если подать на управление полевого транзистора положительное напряжение , то возникшее электрическое поле начнет из приграничной зоны выталкивать положительно заряженные дырки и на их место притягивать электроны из подложки.
Когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок сформируется тонкий канал n-типа и между истоком и стоком появится ток. Чем больше напряжение на затворе тем толще канал, а значит и больше протекающий через него ток.
Отсюда следует, что транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Транзистор отметил свое 70-летие

23 декабря 2017 года транзистору официально исполнилось 70 лет. Изобретение транзистора было, возможно, величайшим технологическим прорывом 20 столетия. Он дал нам интегральные схемы, за которыми последовали телевизоры, смартфоны и вся остальная электроника, которой мы пользуемся каждый день. Своей работой, вероятно, мы тоже обязаны изобретению транзистора. Так что, давайте воспользуемся моментом, чтобы осмыслить и отпраздновать это монументальное открытие.
Различные исторические записи говорят о том, что транзистор был изобретен 23 декабря 1947 года в лабораториях Белла компании ATИсточники»]

  • http://radio-uchebnik.ru/txt/index.php?option=com_contentid=259Itemid=101
  • https://studfile.net/preview/3999604/page:5/
  • http://elektronika-muk.ru/blog/polevye-tranzistory
  • https://radioschema.ru/istoriya/istoriya-za-izobretenie-polevyih-tranzistorov.html
  • https://www.drive2.ru/c/498997135543370413/
  • https://radio-samodel.ru/polev%20tranz.html
  • https://www.drive2.ru/c/498997135543370413/

[/spoiler]

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий