Transistor hiệu ứng trường

46

II. Transistor trường

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
M. E. LEVINSHTEIN,
Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
G. S. SIMIN

Hoạt động của bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) rất đơn giản (hình 1). Có ba điện cực nằm trên một tấm trường mỏng. Nếu một điện áp được đặt vào giữa điện cực 1 (nguồn) và 2 (cống), dòng điện sẽ chạy qua tấm, gọi là kênh. Lượng dòng điện chạy qua kênh thay đổi khi điện áp điều khiển được đặt vào điện cực thứ ba (cổng).*)

Các loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác nhau (và có khá nhiều trong số chúng) khác nhau về nguyên lý hoạt động của cổng. Có những PT trong đó vai trò của cổng được thực hiện bởi một điểm nối $p$, một tiếp điểm dây dẫn trường kim loại, cấu trúc dây dẫn trường điện môi kim loại (cấu trúc MIS), v.v.

hình 2 hiển thị FET sử dụng $p$, một điểm nối hỗn hợp ngược, làm cổng. Như đã biết (“Vật lý 9” §79), tại ranh giới giữa các dây dẫn trường electron (loại $n$) và lỗ trống (loại $p$), một lớp đã cạn kiệt các hạt mang dòng tự do (lớp rào cản) được hình thành. Nếu chúng ta áp dụng chuyển đổi $p$ của điện áp chặn $U_3$: “phẳng” cho loại $n$ và “trừ” cho loại $p$, thì chiều rộng của lớp này sẽ tăng lên. Vì không có hạt tải điện tự do trong lớp rào cản nên không có dòng điện chạy qua nó. Do đó, việc tăng điện áp cổng dẫn đến làm khô kênh mà dòng điện chạy qua và ở điện áp nguồn không đổi, dòng điện qua bóng bán dẫn sẽ giảm. Thậm chí, điện áp cổng chặn hoàn toàn kênh và dòng điện về 0.

hình 3 trình bày một loại bóng bán dẫn khác, được sử dụng rộng rãi trong các máy tính hiện đại, đặc biệt là trong máy tính vi mô. Cấu trúc MIS được sử dụng làm cổng trong FET này. Cổng kim loại được ngăn cách với trường bạch kim bằng một lớp silicon dioxide SiO$_2$ mỏng (một phần trăm micron), đây là một chất điện môi tốt. Do đó, bóng bán dẫn loại này đôi khi còn được gọi là MOS-PT (dây dẫn trường oxit kim loại). Trên tấm silicon loại $p$, các vùng loại $n$ (hình 3, a) được tạo dưới cống và nguồn. Do đó, điện áp nguồn thoát $U_{cn}$ được áp dụng cho hai điểm nối $p$ nối tiếp. Bất kể cực tính của điện áp $U_{cn}$ khi không có điện áp trên cổng, một trong các điểm nối $p$ luôn bị khóa. Ở trạng thái này, điện trở của điểm nối $p$ rất cao và dòng điện chạy qua bóng bán dẫn gần bằng 0.

*) Vì điện trở kênh được điều khiển bởi điện trường của cổng nên các bóng bán dẫn loại này được gọi là bóng bán dẫn hiệu ứng trường.

Độ dài kênh tối thiểu có thể đạt được $L$ được xác định bởi sự hoàn thiện về mặt kỹ thuật. Đối với bóng bán dẫn hiệu ứng trường của thập niên 60 $L \approx 20$ µm. Để có một bóng bán dẫn MOS silicon hoàn hảo $L \approx 3$ µm. Các thiết bị có $L \lesssim 0,3$ micron đã được thu thập trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu.

Thời gian chuyển mạch giới hạn riêng của “bóng bán dẫn 3 µm” là $3 \cdot 10^{-11}$ s. Tốc độ thực tế so sánh

47

Thời gian hoạt động của ô MIS logic nối tiếp hiện đại là 5·10⁻⁹ s. Thời gian chuyển mạch ngắn kỷ lục của bóng bán dẫn MOS đạt được vào năm 1984 là ~10⁻¹¹ s.

Ảnh vi mô của một đoạn MDP-BIS. Độ dài kênh của các phần tử lớn nhất là ~10 µm, nhỏ nhất là ~1 µm.

Với mật độ đóng gói rất lớn của các phần tử trên tấm bán dẫn (~10⁵) và kích thước nhỏ của các phần tử (1 μm), mỗi mảnh bụi bám trên tấm bán dẫn sẽ dẫn đến hỏng LSI.

Bác sĩ phẫu thuật thường làm việc trong những bộ đồ như vậy. Nhưng cô gái này không còn “hoạt động” nữa: cô ấy thực hiện một hoạt động để phá hủy BIS.

Nếu bạn đặt một điện thế dương tương đối nhỏ vào cổng $U_3$, thì ở phía bên kia của chất điện môi, trong kênh $p$, đóng vai trò là tấm thứ hai của tụ điện, các điện tích âm sẽ bắt đầu tích tụ. Một điện tích dương trên cổng làm cho các electron xuất hiện trong kênh, chúng bị hút bởi trường của điện cực kim loại. Ở một điện áp nhất định $U_3=U_0$, gọi là điện áp ngưỡng, trong một lớp hẹp dưới cổng, sự ngưng tụ của các electron do trường cảm ứng sẽ vượt quá nồng độ ban đầu của lỗ trống trong kênh $p$. Sẽ có sự thay đổi về đặc tính dẫn điện (đảo ngược). Thay vì chất bán dẫn loại $p$, chất bán dẫn loại $n$ sẽ xuất hiện trong lớp này. Kết quả là, sự chuyển tiếp $p$ giữa cống và nguồn biến mất và một kênh dẫn liên tục được hình thành (hình 3, 6). Ở trạng thái này, điện trở của bóng bán dẫn thấp.

Các PT trong trường hợp không có sự điều khiển trên cổng, kênh mở và điện trở thấp, được gọi là mở bình thường. Ngược lại, các PT trong đó nếu không có sự kiểm soát thì kênh sẽ bị đóng, được gọi là đóng bình thường. MDP-PT, nguyên tắc hoạt động là khoảng cách cao hơn (hình 3), dùng để chỉ PT đóng thông thường.

Để mạch chứa PT có hai trạng thái dễ dàng phân biệt “0” và “1”, và do đó có thể hoạt động như một phần tử của ô logic, chỉ cần bao gồm điện trở tải $R_H$ và nguồn điện áp $\varepsilon$ nối tiếp với bóng bán dẫn trong mục tiêu nguồn thoát nước là đủ.

Ví dụ, nếu một PT đóng thông thường được sử dụng trong mạch như vậy, thì khi không có điện áp ở cổng ($U_3=0$), điện trở của bóng bán dẫn rất cao và gần như toàn bộ điện áp nguồn $\varepsilon$ giảm trên bóng bán dẫn. Khi điện áp cổng vượt quá giá trị ngưỡng $U_0$, điện trở bóng bán dẫn thấp và toàn bộ điện áp giảm trên điện trở $R_H$. Hai trạng thái dễ dàng phân biệt này tương ứng với trạng thái “0” và “1” trong các mạch logic dựa trên bóng bán dẫn MOS. Tín hiệu cổng nhỏ (≈1 V) đủ để chuyển bóng bán dẫn từ trạng thái “0” sang trạng thái “1”.

Tham số quan trọng nhất của bóng bán dẫn với tư cách là một thành phần của mạch logic máy tính là tốc độ chuyển từ mở sang đóng và ngược lại. Tốc độ này được xác định bởi cả đặc tính của thiết bị và mạch điện mà thiết bị được bật. Về nguyên tắc, thời gian chuyển mạch ngắn nhất có thể đạt được xấp xỉ bằng thời gian truyền sóng mang m dọc theo kênh dưới tác động của điện áp đặt vào $U_{cn}$. Với độ dài kênh $L$ và tốc độ sóng mang $v$, thời gian di chuyển t là $\tau=L/v$. Tốc độ trôi của electron (hoặc lỗ trống) trong điện trường được biết là tỷ lệ thuận với điện áp trường $E$ ($v=\mu E$). Hệ số tỷ lệ $\mu$, có thứ nguyên $m^2/(B \cdot c)$, được gọi là tính linh động. Vì trường có cường độ mạnh trong kênh $E=U_{cn}/L$ nên cuối cùng chúng tôi thu được: $\tau=L^2/\mu U_{cn}$. Do đó, tốc độ nhanh tối đa lời giải của bóng bán dẫn hiệu ứng trường được xác định bằng độ ngắn của kênh bóng bán dẫn và khả năng di chuyển của các sóng mang trong vật liệu chế tạo bóng bán dẫn.

Bạn sẽ tìm hiểu về các loại bóng bán dẫn thực tế, tốc độ chuyển mạch và mật độ đóng gói của chúng trong các máy tính hiện đại từ cột bên cạnh.