Обозначение полевых транзисторов: 10. Полевой транзистор.

Глава 23. Полевые транзисторы . Введение в электронику

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать разницу между транзисторами, полевыми транзисторами с р-n-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором (МОП-транзисторами).

• Нарисовать схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом и каналом n— и p-типа проводимости, а также полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного и обогащенного типа.

• Описать, как работают полевые транзисторы с р-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного и обогащенного типа.

• Перечислить составные части полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

• Описать меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с полевыми транзисторами с изолированным затвором.

• Описать процедуру проверки полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором с помощью омметра.

История полевых транзисторов начинается с 1925 года, когда Юлиус Лилленфелд изобрел полевой транзистор (р-n-переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Оба этих устройства доминируют в настоящее время в электронной технологии. Эта глава является введением в теорию полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

23-1. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С р-n-ПЕРЕХОДОМ

Полевой транзистор с р-n-переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-n-переходом состоят из полупроводниковых материалов n— и p-типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-n-переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-n-переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложка может быть из материала n— или p-типа. р-n-переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания (см. главу 20). Форма р-n-перехода играет важную роль. На рис. 23-1 показано сечение встроенной области в подложке. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки.

Рис. 23-1. Сечение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом

n-типа.

Когда канал сделан из материала n-типа в подложке из материала p-типа образуется полевой транзистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала p-типа в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с р-n-переходом имеет три вывода (рис. 23-2). Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Рис. 23-2. Подсоединение выводов полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Работа полевых транзисторов с р-n-переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников (Е_СИ) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Е_ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал.

На рис. 23-3 показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом n-типа.

Источник тока Е_СИ подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале n-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора (I_C). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения (Е_СИ).

Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного

р-n-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-n-перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение Е_СИ складывается с напряжением Е_ЗИ, создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Рис. 23-3. Правильно смещенный полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа.

Размером обедненного слоя управляет напряжение

Е_ЗИ. При увеличении Е_ЗИ толщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Е_ЗИ можно использовать для управления током стока (I_C), который протекает через канал. Увеличение Е_ЗИ уменьшает I_C.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока (I_C). В полевом транзисторе с

р-n-переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-n-переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения I

_С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток (Е_ЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Е_СИ) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-n-переходом. При увеличении Е_СИ, увеличивается также I_С. При некотором значении Е_СИ величина I_С перестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении Е_СИ. Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением 

Е_СИ увеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения I_С. Однако рост тока I_С ограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения ширины канала. Когда это имеет место, говорят, что I_С достиг насыщения. Значение Е_СИ, при котором I_С достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Е_Н). Величина Е_Н обычно указывается производителем при значении Е_ЗИ, равном нулю. При Е_ЗИ, равном нулю, величина Е

_Н близка к Е_ЗИотс. Когда Е_Н равно Е_ЗИ, ток стока является насыщенным.

Полевые транзисторы с p-каналом и с n-каналом имеют одинаковые характеристики. Основное различие между ними — в направлении тока стока (I_С) через канал. В полевом транзисторе с p-каналом полярность напряжений смещения (Е_ЗИ, Е_СИ) противоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом n-типа.

Схематические обозначения для полевых транзисторов с

p-каналом и с n-каналом показаны на рис. 23-4. Полярности напряжений смещения для полевого транзистора с n-каналом показаны на рис. 23-5, а для транзистора с р-каналом — на рис. 23-6.

Рис. 23-4. Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом.

Рис. 23-5. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Рис. 23-6. Полярности источников тока, необходимые для смещения полевого транзистора с р-n-переходом и каналом р-типа.

23-1. Вопросы

1. Опишите, чем конструкция полевого транзистора с р-n-переходом отличается от конструкции биполярного транзистора.

2. Назовите три вывода полевого транзистора с р-n-переходом.

3. Как прекратить ток через полевой транзистор с р-n-переходом?

4. Дайте определения следующих терминов для полевого транзистора с р-n-переходом:

а. Обедненный слой.

б. Напряжение насыщения.

в. Исток.

г. Сток.

5. Нарисуйте схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом с p-каналом и с n-каналом и обозначьте их выводы.

23-2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ ОБЕДНЕННОГО ТИПА

В полевых транзисторах с изолированным затвором не используют р-n-переход. Вместо него применяется металлический затвор, электрически изолированный от полупроводникового канала тонким слоем окисла. Это устройство известно как полевой транзистор на основе структуры металл-окисел-полупроводник (МОП транзистор).

Существует два типа таких транзисторов: устройства n-типа с n-каналами и устройства p-типа с p-каналами. Устройства n-типа с n-каналами называются устройствами обедненного типа, так как они проводят ток при нулевом напряжении на затворе. В устройствах обедненного типа электроны являются носителями тока до тех пор, пока их количество не уменьшится благодаря приложенному к затвору смещению, так как при подаче на затвор отрицательного смещения, ток стока уменьшается. Устройства p-типа с p-каналами называются устройствами обогащенного типа. В устройствах обогащенного типа поток электронов обычно отсутствует до тех пор, пока на затвор не подано напряжение смещения. Хотя полевые транзисторы обедненного типа с p-каналом и транзисторы обогащенного типа с n-каналом и существуют, они обычно не используются.

На рис. 23-7 изображено сечение полевого транзистора обедненного типа с n-каналом. Он образован имплантацией n-канала в подложку p-типа.

Рис. 23-7. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

После этого на канал наносится тонкий изолирующий слой двуокиси кремния, оставляющий края канала свободными для подсоединения выводов, стока и истока. После этого на изолирующий слой наносится тонкий металлический слой. Этот металлический слой служит затвором. Дополнительный вывод подсоединяется к подложке. Металлический затвор изолирован от полупроводникового канала, так что затвор и канал не образуют р-n-переход. Металлический затвор используется для управления проводимостью канала так же, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом.

На рис. 23-8 изображен полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Рис. 23-8. МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и приложенным смещением.

Сток всегда имеет положительный потенциал по отношению к истоку, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. В канале n-типа основными носителями являются электроны, обеспечивающие ток стока (I_C), протекающий от истока к стоку. Величиной тока стока управляет напряжение смещения (Е_ЗИ), приложенное между затвором и истоком, как и в полевом транзисторе с р-n-переходом. Когда напряжение на истоке равно нулю, через устройство течет заметный ток стока, так как в канале имеется большое количество основных носителей (электронов). Когда на затворе отрицательный потенциал по отношению к истоку, ток стока уменьшается вследствие обеднения основных носителей. Если отрицательный потенциал достаточно велик, то ток стока падает до нуля.

Основное различие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором состоит в том, что на затворе полевого транзистора с изолированным затвором может также быть и положительный потенциал по отношению к истоку. В полевом транзисторе с р-n-переходом нельзя подать такой потенциал на исток, так как в этом случае р-n-переход затвор-канал будет смещен в прямом направлении.

Когда напряжение на затворе полевого МОП-транзистора обедненного типа положительно, изолирующий слой из двуокиси кремния предотвращает какой-либо ток через затвор. Входное сопротивление остается высоким, и в канале появляется больше носителей (электронов), что увеличивает его проводимость. Положительное напряжение на затворе может быть использовано для увеличения тока стока МОП транзистора, а отрицательное напряжение на затворе может быть использовано для уменьшения тока стока. Поскольку отрицательное напряжение подается на затвор для обеднения n-канала МОП транзистора, он называется устройством обедненного режима. Когда напряжение на затворе равно нулю, через МОП транзистор течет большой ток стока. Все устройства обедненного типа обычно открываются при напряжении на затворе, равном нулю.

Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом показано на рис. 23-9.

Рис. 23-9. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что вывод затвора отделен от выводов стока и истока. Стрелка, направленная к подложке, указывает, что этот транзистор имеет канал n-типа. В некоторых МОП транзисторах подложка соединена внутри транзистора с истоком, и они не имеют отдельного вывода подложки.

МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и правильно поданным напряжением смещения изображен на рис.  23–10.

Рис. 23–10. Правильно смещенный МОП транзистор обедненного типа с n-каналом.

Заметим, что он смещен точно так же, как и полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа. Напряжение сток-исток (Е_СИ) должно всегда прикладываться таким образом, чтобы сток имел положительный потенциал по отношению к истоку. Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) должно иметь обратную полярность. Подложка обычно соединяется с истоком либо внутри транзистора, либо снаружи. В специальных случаях подложка может быть соединена с затвором или с другой точкой цепи.

МОП транзистор обедненного типа может быть изготовлен с каналом p-типа. Транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дырки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отношению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении.

Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

На рис. 23–11 показано схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с p-каналом. Отличие от обозначения МОП транзистора с n-каналом состоит в том, что стрелка направлена от подложки.

Рис. 23–11. Схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с р-каналом.

МОП транзисторы обедненного типа как с n-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы стока и истока можно поменять местами. В специальных случаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.

23-2. Вопросы

1. Чем отличается конструкция МОП транзистора от конструкции полевого транзистора с р-n-переходом?

2.  Опишите, как полевой МОП транзистор проводит ток.

3. В чем главное отличие работы МОП транзистора от работы полевого транзистора с р-n-переходом?

4. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов с n-каналом и с p-каналом и обозначьте их выводы.

5. Какие выводы можно поменять местами в МОП транзисторе и в полевом транзисторе с р-n-переходом?

23-3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МОП ТРАНЗИСТОРЫ) ОБОГАЩЕННОГО ТИПА

МОП транзисторы обедненного типа являются открытыми в нормальном состоянии. Это означает, что они имеют заметный ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю. Это полезно во многих приложениях. Но также полезно иметь устройство, которое в нормальном состоянии закрыто; то есть устройство, проводящее ток только тогда, когда приложено напряжение Е_ЗИ соответствующей величины. На рис. 23–12 изображен МОП транзистор, работающий как устройство, закрытое в нормальном состоянии. Он подобен МОП транзистору обедненного типа, но не имеет проводящего канала. Вместо этого в подложку внедрены раздельные области стока и истока. На рисунке показана подложка n-типа и области стока и истока р-типа. Может быть также использована и обратная конфигурация. Расположение выводов такое же, как и у МОП транзистора обедненного типа.

Рис. 23–12. МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа должен быть смещен таким образом, чтобы на стоке был отрицательный потенциал по отношению к истоку. Когда к транзистору приложено только напряжение сток-исток (Е_СИ), ток стока отсутствует. Это обусловлено отсутствием проводящего канала между истоком и стоком. Когда на затвор подается отрицательный потенциал по отношению к истоку, дырки направляются к затвору, где они создают канал p-типа, позволяющий протекать току от стока к истоку.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе размер канала увеличивается, что позволяет увеличиться и току стока. Увеличение напряжения на затворе позволяет увеличить ток стока.

Потенциал затвора МОП транзистора с p-каналом обогащенного типа может быть сделан положительным по отношению к истоку, и это не повлияет на работу транзистора. Ток стока в нормальном состоянии равен нулю и не может быть уменьшен подачей положительного потенциала на затвор.

Схематическое обозначение МОП транзистора с р-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–13. Оно аналогично обозначению МОП транзистора с p-каналом обедненного типа, за исключением того, что области истока, стока и подложки разделены пунктирной линией. Это показывает, что транзистор в нормальном состоянии закрыт. Стрелка, направленная от подложки, обозначает канал р-типа.

Рис. 23–13. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с р-каналом.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа с правильно поданным напряжением смещения показан на рис. 23–14.

Рис. 23–14. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с р-каналом.

Заметим, что Е_СИ делает сток МОП транзистора отрицательным по отношению к истоку. Е_ЗИ также делает затвор отрицательным по отношению к истоку. При увеличении Е_ЗИ и подаче на затвор отрицательного потенциала, появляется заметный ток стока. Подложка обычно соединяется с истоком, но в отдельных случаях подложка и исток могут иметь различные потенциалы.

МОП транзисторы могут быть изготовлены с n-каналом обогащенного типа. Эти устройства работают с положительным напряжением на затворе так, что электроны притягиваются по направлению к затвору и образуют канал n-типа. В остальном они работают так же, как и устройства с каналом р-типа.

Схематическое обозначение МОП транзистора с n-каналом обогащенного типа показано на рис. 23–15. Оно аналогично обозначению устройства с р-каналом за исключением того, что стрелка направлена к подложке, обозначая канал n-типа. Правильно смещенный МОП транзистор с n-каналом обогащенного типа показан на рис. 23–16.

Рис. 23–15. Схематическое обозначение МОП транзистора обогащенного типа с n-каналом.

Рис. 23–16. Правильно смещенный МОП транзистор обогащенного типа с n-каналом.

МОП транзисторы с изолированным затвором обычно симметричны, как и полевые транзисторы с р-n-переходом. Следовательно, сток и исток можно поменять местами.

23-3. Вопросы

1. Чем МОП транзисторы обедненного и обогащенного типа отличаются друг от друга?

2. Опишите, как работает МОП транзистор с изолированным затвором обогащенного типа?

3. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисторов обогащенного типа с р-каналом и с n-каналом и обозначьте их выводы?

4. Почему МОП транзистор с изолированным затвором имеет четыре вывода?

5. Какие выводы МОП транзисторов обогащенного типа можно поменять местами?

23-4. МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С МОП ТРАНЗИСТОРАМИ

При работе с МОП транзисторами необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Важно проверить по данным производителя максимальное значение Е_ЗИ. Если Е_ЗИ будет слишком большим, то тонкий изолирующий слой разрушится, и транзистор выйдет из строя. Изолирующий слой достаточно чувствителен и может быть поврежден статическим зарядом, появляющимся на выводах транзистора. Электростатические заряды с пальцев могут перейти на выводы МОП транзистора, когда вы касаетесь его руками или при монтаже.

Для того чтобы избежать повреждения, МОП транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами. Закорачивание осуществляется следующими методами: соединение выводов проволокой, упаковка транзистора в закорачивающее кольцо, прессовка транзистора в проводящую пену, соединение нескольких транзисторов вместе, транспортировка в антистатических трубках и заворачивание транзисторов в металлическую фольгу.

Новейшие МОП транзисторы защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком. Диоды защищают от статических разрядов и переходных процессов и избавляют от необходимости использования внешних закорачивающих устройств. В электронике переходным процессом называется временное изменение тока, вызванное резким изменением нагрузки, включением или выключением источника тока или импульсным сигналом.

С незащищенными МОП транзисторами можно без опаски работать при соблюдении следующих процедур:

1. До установки в цепь выводы транзистора должны быть соединены вместе.

2. Рука, которой вы будете брать транзистор, должна быть заземлена с помощью металлического браслета на запястье.

3. Жало паяльника следует заземлить.

4. МОП транзистор никогда не должен вставляться в цепь или удаляться из цепи при включенном питании.

23-4. Вопросы

1. По какой причине с МОП транзисторами надо обращаться очень осторожно?

2. Превышение какого напряжения может вывести МОП транзистор из строя?

3. Какие методы используются для защиты МОП транзисторов при транспортировке?

4. Какие меры предосторожности предприняты для защиты новейших МОП транзисторов?

5. Опишите процедуры, которые должны соблюдаться при работе с незащищенными МОП транзисторами.

23-5. ПРОВЕРКА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Проверка полевых транзисторов более сложна, чем проверка обычных транзисторов. Перед проверкой полевого транзистора необходимо рассмотреть следующие вопросы:

1. Является устройство полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором?

2. Является полевой транзистор устройством с каналом n-типа или устройством с каналом р-типа?

3. Если это МОП транзистор, то какого он типа — обедненного или обогащенного?

Перед удалением полевого транзистора из цепи или началом работы с ним проверьте — является он полевым транзистором с р-n-переходом или полевым МОП транзистором. МОП транзистор можно легко повредить, если не соблюдать следующие меры предосторожности.

1. Закоротите все выводы МОП транзистора до тех пор, пока он не будет готов к работе.

2. Убедитесь в том, что рука, используемая для работы с МОП транзистором, заземлена.

3. Выключите питание цепи перед удалением или установкой МОП транзистора.

Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть легко проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

При использовании прибора для проверки транзисторов следуйте руководству по его эксплуатации.

Проверка полевых транзисторов с р-n-переходом при помощи омметра

1. Используйте низковольтный омметр на пределе Rх100.

2. Определите полярность выводов прибора. Белый — положительный, а черный — отрицательный.

3. Определите прямое сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный вывод с истоком или стоком. Поскольку и исток, и сток соединены с каналом, необходимо проверить только одну сторону. Прямое сопротивление должно быть низким.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините отрицательный вывод с затвором, а положительный с истоком или стоком.

4. Определите обратное сопротивление следующим образом:

а. Полевой транзистор с каналом n-типа: соедините отрицательный вывод омметра с затвором, а положительный вывод с истоком или стоком. Полевой транзистор должен иметь бесконечное сопротивление. Низкое сопротивление указывает на короткое замыкание или наличие тока утечки.

б. Полевой транзистор с каналом р-типа: соедините положительный вывод с затвором, а отрицательный с истоком или стоком.

Проверка МОП транзисторов с помощью омметра

Прямое и обратное сопротивление можно проверить с помощью низковольтного омметра на его высшем пределе.

МОП транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление из-за наличия изолированного затвора. Прибор должен показать бесконечное сопротивление и в прямом и в обратном направлениях между затвором и истоком или стоком. Низкое значение сопротивления указывает на пробой изоляции между затвором и истоком или стоком.

23-5. Вопросы

1. На какие вопросы надо ответить перед проверкой полевых транзисторов?

2. Почему важно знать тип устройства (транзистор с р-n-переходом или МОП транзистор) перед удалением его из цепи?

3. Опишите, как проверить полевой транзистор с р-n-переходом с помощью омметра?

4. Опишите, как проверить МОН транзистор с помощью омметра?

5. Как проверить полевой транзистор с р-n-переходом или МОИ транзистор с помощью прибора для проверки транзисторов?

РЕЗЮМЕ

• Полевой транзистор с р-n-переходом использует для управления сигналом канал вместо р-n-переходов (в обычных транзисторах).

• Три вывода полевого транзистора с р-n-переходом подсоединены к затвору, истоку и стоку.

• Входной сигнал прикладывается между затвором и истоком для того, чтобы полевой транзистор с р-n-переходом мог управлять его величиной.

• Полевые транзисторы с р-n-переходом имеют очень высокое входное сопротивление.

• Схематические обозначения полевых транзисторов с р-n-переходом следующие:

• В МОП транзисторах (полевых транзисторах с изолированным затвором) затвор изолирован от канала тонким слоем окисла.

• МОП транзисторы обедненного типа обычно бывают с каналом n-типа и открыты в нормальном состоянии.

• МОП транзисторы обогащенного типа обычно бывают с каналом р-типа и закрыты в нормальном состоянии.

• Главное отличие между полевыми транзисторами с р-n-переходом и МОП транзисторами в том, что потенциал затвора в МОП транзисторах может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обедненного типа следующее:

• У большинства полевых транзисторов с р-n-переходом и МОП транзисторов выводы истока, и стока можно поменять местами, так как эти устройства являются симметричными.

• Схематическое обозначение для МОП транзистора обогащенного типа следующее:

• С МОП транзисторами следует обращаться осторожно, для избежания повреждения тонкого слоя окисла, отделяющего металлический затвор от канала.

• Электростатические заряды с пальцев могут повредить МОП транзистор.

• До использования выводы МОП транзистора должны быть соединены вместе.

• При работе с МОП транзисторами необходимо использовать металлический браслет на запястье, соединенный проволокой с землей.

• При пайке МОП транзисторов используйте заземленный паяльник и убедитесь в том, что питание цепи выключено.

• Как полевые транзисторы с р-n-переходом, так и МОП транзисторы могут быть проверены с помощью прибора для проверки транзисторов или с помощью омметра.

Глава 23. САМОПРОВЕРКА

1. Объясните, что означает напряжение отсечки полевого транзистора.

2. Как определить напряжение отсечки полевого транзистора с р-n-переходом?

3. Объясните, что такое МОП транзистор обедненного типа.

4. В каком режиме работы МОП транзистор обогащенного типа, вероятно, будет закрыт?

5. Напишите список мер предосторожности, которые должны соблюдаться при работе с МОП транзисторами.

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

• При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

  Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

  Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Маркировка транзисторов. Классификация транзисторов.

Различают транзисторы биполярные и полевые. Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы, n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный. В биполярном транзисторе основными носителями являются и электроны, и дырки. Схематическое устройство транзистора показано на рисунке 6.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, элек-троды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмитте-ром. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. Главное отличие коллектора — большая площадь p-n перехода. Для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Рис. 6

Рис. 7
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
Полевые транзисторы имеют большое входное сопротивление. Подразделяются на полевые транзисторы 1) с управляющим p-n переходом (рис. 7а) и 2) с изолированным затвором (рис. 7б).
Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы 1) со встроенным каналом и 2) с индуцированным каналом.
Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком. Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n-типа, или от канала p-типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром (рис. 7в).

Рис. 8 Цветовая маркировка транзисторов

Рис. 9. Условное графическое обозначение биполярного транзистора струк-туры n-p-n

Рис. 10.Условное графическое обозначение биполярного транзистора структуры p-n-p

Рис. 11. Условное графическое обозначение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа

Рис.12. Условное графическое обозначение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом p-типа

Рис.13. Условное графическое обозначение полевого транзистора со встро-енным p-каналом обедненного типа.

Рис. 14. Условное графическое обозначение полевого транзистора со встро-енным n-каналом обогащенного типа.

Рис. 15. Условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным p-каналом обогащенного типа.

Рис. 16 — Условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным n-каналом обогащенного типа.

Рис. 17. Обозначение транзистора с барьером Шотки (транзистор Шотки).

Рис. 18. Обозначение многоэмиттерного транзистора.
Транзистор с барьером Шотки и многоэмиттерный транзистор встречаются лишь в микроэлектронике.

Рис. 19. Условное графическое обозначение фототранзистора

ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ
ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ

ГОСТ 2.730-73

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

Москва

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Единая система конструкторской документации ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ. ПРИБОРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ Unified system for design documentation. Graphical symbols in diagrams. Semiconductor devices

ГОСТ 2.730-73

Дата введения 1974-07-01

1. Настоящий стандарт устанавливает правила построения условных графических обозначений полупроводниковых приборов на схемах, выполняемых вручную или автоматическим способом во всех отраслях промышленности.

(Измененная редакция, Изм. № 3).

2. Обозначения элементов полупроводниковых приборов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование	Обозначение
1. (Исключен, Изм. № 2).
2. Электроды:
база с одним выводом
база с двумя выводами
Р -эмиттер с N -областью
N -эмиттер с Р-областью
несколько Р-эмиттеров с N -областью
несколько N -эмиттеров с Р-областью
коллектор с базой
несколько коллекторов, например, четыре коллектора на базе
3. Области: область между проводниковыми слоями с различной электропроводностью. Переход от Р-области к N -области и наоборот
область собственной электропроводности ( I -область): l) между областями с электропроводностью разного типа  PIN или NIP
2) между областями с электропроводностью одного типа  PIP или NIN
3) между коллектором и областью с противоположной электропроводностью  PIN или NIP
4) между коллектором и областью с электропроводностью того же типа  PIP или NIN
4. Канал проводимости для полевых транзисторов: обогащенного типа
обедненного типа
5. Переход PN
6. Переход NP
7. Р-канал на подложке N -типа, обогащенный тип
8. N -канал на подложке Р-типа, обедненный тип
9. Затвор изолированный
10. Исток и сток Примечание . Линия истока должна быть изображена на продолжении линии затвора, например:
11. Выводы полупроводниковых приборов:
электрически, не соединенные с корпусом
электрически соединенные с корпусом
12. Вывод корпуса внешний. Допускается в месте присоединения к корпусу помещать точку

(Измененная редакция, Изм. № 2, 3).

3, 4. (Исключены, Изм. № 1).

5. Знаки, характеризующие физические свойства полупроводниковых приборов, приведены в табл.4.

Таблица 4

Наименование	Обозначение
1. Эффект туннельный
а) прямой
б) обращенный
2. Эффект лавинного пробоя: а) односторонний
б) двухсторонний 3-8. (Исключены, Изм. № 2).
9. Эффект Шоттки

6. Примеры построения обозначений полупроводниковых диодов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Наименование	Обозначение
1. Диод
Общее обозначение
2. Диод туннельный
3. Диод обращенный
4. Стабилитрон (диод лавинный выпрямительный)
а) односторонний
б) двухсторонний
5. Диод теплоэлектрический
6. Варикап (диод емкостный)
7. Диод двунаправленный
8. Модуль с несколькими (например, тремя) одинаковыми диодами с общим анодным и самостоятельными катодными выводами
8a. Модуль с несколькими одинаковыми диодами с общим катодным и самостоятельными анодными выводами
9. Диод Шотки
10. Диод светоизлучающий

7. Обозначения тиристоров приведены в табл. 6.

Таблица 6

Наименование	Обозначение
1. Тиристор диодный, запираемый в обратном направлении
2. Тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
3. Тиристор диодный симметричный
4. Тиристор триодный. Общее обозначение
5. Тиристор триодный, запираемый в обратном направлении с управлением: по аноду
по катоду
6. Тиристор триодный выключаемый: общее обозначение
запираемый в обратном направлении, с управлением по аноду
запираемый в обратном направлении, с управлением по катоду
7. Тиристор триодный, проводящий в обратном направлении:
общее обозначение
с управлением по аноду
с управлением по катоду
8. Тиристор триодный симметричный (двунаправленный) — триак
9. Тиристор тетроидный, запираемый в обратном направлении

Примечание. Допускается обозначение тиристора с управлением по аноду изображать в виде продолжения соответствующей стороны треугольника.

8. Примеры построения обозначений транзисторов с Р- N -переходами приведены в табл. 7.

Таблица 7

Наименование	Обозначение
1. Транзистор а) типа PNP
б) типа NPN с выводом от внутреннего экрана
2. Транзистор типа NPN, коллектор соединен с корпусом
3. Транзистор лавинный типа NPN
4. Транзистор однопереходный с N-базой
5. Транзистор однопереходный с Р-базой
6. Транзистор двухбазовый типа NPN
7. Транзистор двухбазовый типа PNIP с выводом от i-области
8. Транзистор двухразовый типа P NIN с выводом от I -области
9. Транзистор многоэмиттерный типа NPN
Примечание. При выполнении схем допускается: а) выполнять обозначения транзисторов в зеркальном изображении, например, б) изображать корпус транзистора.

Таблица 8

Наименование	Обозначение
1. Транзистор полевой с каналом типа N
2. Транзистор полевой с каналом типа Р
3. Транзистор полевой с изолированным затвором баз вывода от подложки:
а) обогащенного типа с Р-каналом
б) обогащенного типа с N-каналом
в) обедненного типа с Р-каналом
г) обедненного типа с N-каналом
4. Транзистор полевой с изолированным затвором обогащенного типа с N-каналом, с внутренним соединением истока и подложки
5. Транзистор полевой с изолированным затвором с выводом от подложки обогащенного типа с Р-каналом
6. Транзистор полевой с двумя изолированными затворами обедненного типа с Р-каналом с выводом от подложки
7. Транзистор полевой с затвором Шоттки
8. Транзистор полевой с двумя затворами Шоттки

Примечание . Допускается изображать корпус транзисторов.

10. Примеры построений обозначений фоточувствительных и излучающих полупроводниковых приборов приведены в табл. 9.

Таблица 9

Наименование	Обозначение
1. Фоторезистор: а) общее обозначение
б) дифференциальный
2. Фотодиод
З. Фототиристор
4. Фототранзистор:
а) типа PNP
б) типа NPN
5. Фотоэлемент
6. Фотобатарея

Таблица 10

Наименование	Обозначение
1. Оптрон диодный
2. Оптрон тиристорный
3. Оптрон резисторный
4. Прибор оптоэлектронный с фотодиодом и усилителем:
а) совмещенно
б) разнесенно
5. Прибор оптоэлектронный с фототранзистором: а) с выводом от базы
б) без вывода от базы

Примечания:

1. Допускается изображать оптоэлектронные приборы разнесенным способом. При этом знак оптического взаимодействия должен быть заменен знаками оптического излучения и поглощения по ГОСТ 2.721-74,

например:

2. Взаимная ориентация обозначений источника и приемника не устанавливается, а определяется удобством вычерчивания схемы, например:

12. Примеры построения обозначений прочих полупроводниковых приборов приведены в табл. 11.

Таблица 11

Наименование	Обозначение
1. Датчик Холла
Токовые выводы датчика изображены линиями, отходящими от коротких сторон прямоугольника
2. Резистор магниточувствительный
3. Магнитный разветвитель

13. Примеры изображения типовых схем на полупроводниковых диодах приведены в табл. 12.

Таблица 12

Наименование	Обозначение
1. Однофазная мостовая выпрямительная схема:
а) развернутое изображение
б) упрощенное изображение (условное графическое обозначение) Примечание. К выводам 1-2 подключается напряжение переменного тока; выводы 3-4 — выпрямленное напряжение; вывод 3 имеет положительную полярность. Цифры 1, 2, 3 и 4 указаны для пояснения.
Пример применения условного графического обозначения на схеме
2. Трехфазная мостовая выпрямительная схема
3. Диодная матрица (фрагмент)
Примечание. Если все диоды в узлах матрицы включены идентично, то допускается применять упрощенный способ изображения. При этом на схеме должны быть приведены пояснения о способе включения диодов

14. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов для схем, выполнение которых при помощи печатающих устройств ЭВМ предусмотрено стандартами Единой системы конструкторской документации, приведены в табл. 13.

Таблица 13

Наименование	Обозначение	Отпечатанное обозначение
1. Диод
2. Транзистор типа PNР
3. Транзистор типа NPN
4. Транзистор типа PNIP с выводом от I -области
5. Многоэмиттерный транзистор типа NPN

Примечание к пп. 2-5. Звездочкой отмечают вывод базы, знаком «больше» или «меньше» — вывод эмиттера.

15. Размеры (в модульной сетке) основных условных графических обозначений даны в приложении 2.

(Измененная редакция, Изм. № 4).

Приложение 1. (Исключено, Изм. № 4).

Наименование	Обозначение
1. Диод
2.. Тиристор диодный
3. Тиристор триодный
4. Транзистор 5. Транзистор полевой
6. Транзистор полевой с изолированным затвором

(Введено дополнительно, Изм. № 3).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Государственным комитетом стандартов Совета Министров СССР

РАЗРАБОТЧИКИ

В. Р. Верченко, Ю. И. Степанов, Э. Я. Акопян, Ю. П. Широкий, В. П. Пармешин, И. К. Виноградова

2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 16.08.73 № 2002

3 Соответствует СТ СЭВ 661-88

4 ВЗАМЕН ГОСТ 2.730-68, ГОСТ 2.747-68 в части пп. 33 и 34 таблицы

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ (январь 1995 г.) с Изменениями № 1, 2, 3, 4, утвержденными в июле 1980 г., апреле 1987 г., марте 1989 г., июле 1991 г. (ИУС 10-80, 7-87, 6-89, 10-91)

ТРАНЗИСТОРЫ

   В этой статье мы разберем, чем же примечателен этот маленький кусочек кремния, называемый транзистором. Транзисторы, как известно, делятся на 2 вида полевые и биполярные. Изготавливаются они из полупроводниковых материалов, в частности германия и кремния. И полевые и биполярные транзисторы имеют по 3 вывода. На приведенном ниже рисунке мы можем видеть устройство советского биполярного низкочастотного транзистора типа МП39-МП42. 

Транзистор в разрезе

   На следующем рисунке изображены транзисторы, также выпущенные в советское время, слева небольшой мощности, в центре и справа рассчитанные на среднюю и большую мощность: 

Внешний вид советских транзисторов

   Рассмотрим схематическое изображение биполярного транзистора:

Структура биполярных транзисторов

   Транзисторы по своей структуре делятся на два типа, n-p-n и p-n-p. Как нам известно из предыдущей статьи, диод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом способным пропускать ток в прямом включении и не пропускающий в обратном. Транзистор же представляет собой, условно говоря, два диода соединенных либо катодами, либо анодами, что мы и можем видеть на рисунке ниже.

Транзистор как два диода

   Кстати, многие отечественные транзисторы в советское время выпускали с некоторым содержанием золота, так что эту деталь можно назвать драгоценной в прямом смысле слова! Подробнее о содержании драгметаллов смотрите тут. Но для радиолюбителей ценность данного радиоэлемента заключается прежде всего в его функциях.

Золото в транзисторах СССР

   Приведу ещё несколько фотографий распространённых транзисторов:

Малой мощности

Средней мощности

Большой мощности

В металлическом корпусе

   На этих фото изображены выводные транзисторы, которые впаивают в отверстия в печатной плате. Но существуют транзисторы и для поверхностного или SMD монтажа, в таком случае отверстия не сверлятся и детали припаиваются со стороны печати, один из таких транзисторов в корпусе sot-23 изображен на фотографии ниже, рядом на рисунке можно видеть его сравнительные размеры:

 

Фото SMD транзистор

   Какие существуют схемы включения биполярных транзисторов? Прежде всего это схема (к слову сказать самая распространенная) включения с общим эмиттером. Такое включение обеспечивает большое усиление по напряжению и току:

Схема с общим эмиттером

   Схема включения с общим коллектором, это дает нам усиление только по току:

Схема с общим коллектором

   И схема включения с общей базой, усиление только по напряжению:

Схема с общей базой

   Далее приведен практический пример схемы усилителя на одном транзисторе собранного по схеме с общим эмиттером. Наушники для этого усилителя нужно брать высокоомные Тон–2 с сопротивлением обмотки приблизительно 2 кОм. 

Пример усилителя по схеме с общим эмиттером

   Биполярные транзисторы могут использоваться в ключевом и усилительном режимах. Выше на схеме пример работы транзистора в усилительном режиме. На приведенном ниже рисунке изображена схема включения транзистора в ключевом режиме:

Схема транзистора в ключевом режиме

   Существуют транзисторы, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, называются они фототранзисторы. Они могут быть в исполнении как с выводом от базы, так и без него. Его схематическое изображение на рисунке:

Схематическое изображение фототранзисторов

   А так выглядит один из фототранзисторов:

Фототранзистор — фотография

Полевые транзисторы

   Как ясно из названия, такие транзисторы управляются не током, а полем. Электрическим полем. В следствии чего они имеют высокое входное сопротивление и не нагружают предидущий каскад. На этом рисунке изображено строение полевого транзистора:

Строение полевого транзистора

   Привожу первый вариант схематического обозначения полевого транзистора:

Схематическое изображение полевого транзистора

   На следующем рисунке изображено современное схематическое изображение (второй вариант) полевых транзисторов с изолированным затвором, слева с каналом n–типа и справа с каналом p-типа. 

Изображение на схемах полевых транзисторов с изолированным затвором

   Определяют какого типа канал следующим образом, если стрелка направлена в сторону канала, то такой транзистор с каналом n–типа, если же стрелка направлена в обратную, то p-типа. Транзисторы MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) — это английское название полевых транзисторов МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Дальше на рисунке приведено обозначение и изображен внешний вид мощного полевого Mosfet транзистора:

Схематическое изображение мощного полевого транзистора

   Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление. Они находят все большее применение в современной технике, особенно приёмо-передатчиках. Полевые транзисторы широко применяются и в аналоговых, и в цифровых схемах. Выпускаются современные полевые транзисторы, как и биполярные, в SMD исполнении:

Фото SMD полевой транзистор

   Устройства, созданные на основе КМОП транзисторов (полевых транзисторов) очень экономичны и имеют незначительное потребление питания. Привожу схемы включения полевых транзисторов:

С общим истоком

С общим стоком

С общим затвором 

   Применяются полевые транзисторы и в усилителях мощности звука, чаще всего в выходных каскадах.

Однопереходные транзисторы

   Существуют так называемые Однопереходные транзисторы, второе, менее распространённое название — Двухбазовый диод. Ниже приведены схематическое изображение и фото однопереходных транзисторов.

Схематическое изображение однопереходных транзисторов

   Применяются однопереходные транзисторы, в устройствах автоматики и импульсной технике. А также находят применение в измерительных устройствах. Автор статьи — AKV.

   Форум по радиоэлементам

   Форум по обсуждению материала ТРАНЗИСТОРЫ

---

	ПРИКУРИВАТЕЛЬ ОТ USB Устройство для использования разъёма USB в качестве прикуривателя — разборка и схема.
	СТАНДАРТЫ РАДИОСВЯЗИ Обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

http://secretary.rid.go.th/ http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/

Home

bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом

Добавлено 21 июля 2018 в 10:06

Сохранить или поделиться

Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.

Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:

N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом

Обратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером. Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором. Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.

Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода. На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими. Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.

N-канальный полевой транзистор с изолированным затвором со «встроенным» каналом

Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход. В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена. Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.

Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.

В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:

Канал расширяется для получения большей проводимости

Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:

Канал сужается для получения меньшей проводимости

Изолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов. Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется). Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.

Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока. Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера. Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.

Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:

Канал P-типа расширяется для получения большей проводимостиКанал P-типа сужается для получения меньшей проводимости

Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:

Соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором

Когда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ. «depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор. Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.

По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость. Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.

Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:

Тестовая схема 1

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Ток стока

Как и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.000E-05). Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:

Тестовая схема 2

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

Ток стока

Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:

Тестовая схема 3

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Ток стока

При насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05). Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором. При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток

Подобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки. Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.

Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:

Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом

Оригинал статьи:

Теги

IGFET / МДП транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором)LTspiceMOSFET / МОП транзисторSPICEМоделированиеОбучениеПолевой транзисторЭлектроника

Сохранить или поделиться

Полевой транзистор | Журнал Nuts & Volts

---

Необходимое устройство для современной ИС

Обычно используемый биполярный транзистор , в котором электроны или дырки проходят через два PN-полупроводниковых перехода, по сути, является устройством усиления тока . Хотя напряжение может быть усилено косвенно, если используются конфигурации проводки «общий эмиттер» или «общий коллектор», все же верно, что небольшая величина входного тока всегда должна течь в базовую область транзистора для целей управления.

Другой тип полупроводникового устройства, полевой транзистор или «полевой транзистор», не так хорошо знаком многим энтузиастам электроники, возможно, потому, что его легко повредить при неправильном использовании. Полевой транзистор усиливает напряжение напрямую, а ток , необходимый для управления, настолько мал, что его невозможно измерить обычными приборами. Этот транзистор был фактически первым типом полупроводникового усилителя, теоретически предсказанным в Bell Labs еще в 1950-х годах, но он не был разработан в практическое устройство до тех пор, пока биполярный тип не стал популярным.Однако сейчас наиболее распространенным типом стали полевые транзисторы, их десятки миллионов находятся в каждой микросхеме микропроцессора.

С таким огромным количеством транзисторов, работающих в одной микросхеме, мы, конечно, не хотим, чтобы для управления каждым из них требовался большой ток — заряд батареи будет быстро израсходован, и потребуется много тепла. удаленный. Кроме того, существует множество других приложений, в которых желателен сверхнизкий входной ток. Очевидный пример — первая ступень точного вольтметра, когда мы не хотим вызывать каких-либо новых падений напряжения путем отвода тока из исследуемой цепи.

Еще одним преимуществом полевого транзистора, вероятно, менее важным, является тот факт, что его входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам электронных ламп. Поскольку лампы используются примерно с 1910 года, у нас есть большой опыт работы с ними, и некоторые конструкторы чувствуют себя более комфортно с полевыми транзисторами, чем с биполярными устройствами, особенно в усилителях звука. (Действительно ли это преимущество или нет, зависит не только от научных факторов, но и от эмоциональных факторов. Некоторые читатели могут признать автора настоящей статьи одним из первых сторонников этой активно обсуждаемой проблемы, поэтому мы не будем ее обсуждать. дальше сюда!)

В любом случае полевой транзистор полностью реагирует на напряжение на управляющем электроде, и это можно использовать для регулирования довольно больших значений выходного тока и / или напряжения в двух других проводах.

JFET

Вместо того, чтобы делать транзистор, который проводит через оба PN перехода, когда он включен («биполярный»), один тип полевого транзистора может быть изготовлен только с одним PN переходом («однопереходный»). Поскольку он имеет переход, он называется juncFET или JFET, и упрощенная диаграмма поперечного сечения показана на , рис. 1, .

РИСУНОК 1. Упрощенное поперечное сечение полевого транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим истощения и обычно включен.Символ находится в правой части рисунка.

---

Прямоугольники, обведенные жирной линией, представляют собой твердые материалы, включая две области, которые представляют собой кремний P-типа, но не проводят заметного тока. Посередине находится область N-типа, которая может проводить весь ток. В очень простой схеме, показанной на схеме, которую читатель может легко построить, чтобы получить некоторый опыт работы с полевым транзистором, омметр выдает напряжение, а также показывает протекание тока нагрузки. Этот тип полевого транзистора обычно находится во включенном состоянии до подачи какого-либо управляющего напряжения.Если потенциометр 5K настроен так, что на «затворе» нет напряжения (перемещая его стрелку вниз, как показано на схеме), то «положительный» ток нагрузки с омметра переходит в верхний левый угол полевого транзистора, а затем вниз. в самый верхний металл, затем вниз через сплошной кремний N-типа и из транзистора через нижний металл. (Области «Бык» — изоляторы из диоксида кремния.)

Диаграмма построена не в масштабе, а прямоугольники показывают области, размер которых на самом деле составляет всего около микрона.(Более формальное обозначение размера — «микрометр», что составляет миллионную долю метра.) Металл обычно представляет собой тонкую алюминиевую или медную пленку толщиной около микрона, и вся конфигурация иногда бывает более сложной, чем показано на этой упрощенной диаграмме. Кремний P-типа (справа, как показано здесь) в основном является просто механической опорой для небольших активных областей, которые проводят. Его часто называют «субстратом».

Чтобы выключить транзистор, настройку потенциометра 5K можно увеличить, чтобы получить отрицательное управляющее напряжение.Это заряжает область P-типа, но электричество практически не течет, потому что имеется «обратносмещенный» PN переход (отрицательное напряжение на кремнии P-типа и положительное на N). Однако этот заряд сильно отталкивает электроны от очень тонкого проводящего «канала» N-типа в середине. Здесь образуется зона обеднения, содержащая меньше электронов, поэтому кремний внутри овала, изображенного пунктирной линией, становится внутренним (I-тип, как обозначено буквой I в скобках), который является изолирующим, и полевой транзистор перестает проводить.Такой тип поведения называется «режимом истощения». Поскольку управляющее действие осуществляется электрическим полем (а не носителями, текущими в базовую область), все устройство называется полевым транзистором , или «полевым транзистором».

Один металлический электрод называется истоком, один — затвором, а третий — стоком, аналогично эмиттеру, базе и коллектору в биполярном транзисторе. Это «N-канальное» устройство, потому что ток проходит через кремний N-типа. Символ отображается справа от поперечного сечения.Другой тип JFET, устройство с «P-каналом», имеет полупроводниковые области P и N противоположного типа, поэтому стрелка в символе направлена ​​в сторону от канала. Этот тип ворот должен быть заряжен положительно, чтобы перекрыть канал, отталкивая дыры. Он не так распространен, как показанный здесь, но он существует и может быть полезен для специальных целей.

Диод постоянного тока

Интересным применением JFET является «диод постоянного тока». Общий эффект от этого аналогичен эффекту биполярного регулятора напряжения, за исключением того, что здесь регулируется ток , а не напряжение .Это может быть очень простая схема, как показано на Рисунок 2 , диаграмма B.

РИСУНОК 2. N-канальный JFET-транзистор, подключенный к саморегулирующемуся устройству с постоянным током, с символом, показанным рядом с ним слева. Два других символа справа относятся к источникам постоянного тока, в том числе к источникам питания, например батареям.

---

Если посмотреть на отрицательный ток, который течет вверх через резистор, некоторая его часть будет направлена ​​на затвор, который частично отключает полевой транзистор.Это отрицательная обратная связь, поэтому, если ток в цепи начинает расти, транзистор отключается еще больше. Таким образом, протекает меньше тока, пока не будет достигнут некоторый постоянный уровень тока. Полевой транзистор и потенциометр находятся внутри изоляционного пластикового «пакета». Все это вместе с источником питания, таким как батарея (здесь не показана), обозначено двумя перекрывающимися кругами, Рисунок 2 , диаграмма C. Иногда используется альтернативный символ со стрелкой вверх, особенно в Европе, как показано на диаграмме D.

МОП-транзистор

Другой тип полевого транзистора проиллюстрирован на рис. 3 , металл-оксид-полупроводник или «МОП» устройство.

РИСУНОК 3. Упрощенная диаграмма поперечного сечения полевого МОП-транзистора с рабочей схемой. Это N-канальный режим, режим улучшения и обычно выключен. Справа показаны два альтернативных символа.

---

В этом транзисторе вместо обратносмещенного перехода, который использовался в полевом транзисторе, используется изолирующий диоксид кремния для предотвращения попадания тока затвора в основной полупроводник.Его иногда называют IGFET из-за изолированного затвора. Это обычно выключенное устройство, которое необходимо включить каким-либо действием, поэтому оно называется устройством «улучшенного режима». (IGFET также может быть выполнен в режиме истощения.)

На рисунке, если потенциометр понижен до нуля, то ток батареи, проходящий через лампочку и транзистор, будет остановлен одним из PN-переходов. На этой диаграмме это верхний, который имеет обратное смещение.(Первоначально пунктирная линия и область N посередине отсутствуют.)

Если стрелка потенциометра поднята, и теперь к затвору приложен положительный потенциал, дыры в кремнии P-типа отталкиваются, в результате чего эта область становится N-типа (на что указывает N в скобках). Теперь нет соединения PN непосредственно на пути между верхней и нижней областями N-типа, потому что все это одна непрерывная область N-типа (нарисованная в виде вертикальной черты с пунктирной линией в качестве одного края).Этот транзистор также является N-канальным, потому что электричество проходит через кремний N-типа, когда он включен.

Если читатель желает получить некоторый опыт работы с полевым МОП-транзистором, можно установить амперметр, как показано на рис. , , чтобы показать, что в затвор не течет измеримый ток, даже когда горит лампочка. На этой схеме мультиметр был переключен на измерение тока, и он перемещен к выводу затвора. (Эта схема также может быть использована для эксперимента с полевым транзистором. Экспериментатор должен отметить, что меры предосторожности для предотвращения повреждения МОП-устройств описаны в разделе «Чувствительность к электростатическому разряду» ниже.)

Символы для полевого МОП-транзистора показаны справа. Стрелка в данном случае указывает на то, что электрод «истока» внутренне соединен с подложкой, что часто делается, если один из PN-переходов не будет использоваться.

Если бы устройство было P-каналом, исток и сток были бы P-типа, а стрелка была бы направлена ​​в сторону от подложки N-типа.

Характеристические кривые и линия нагрузки

В типичных «спецификациях» полевых транзисторов используются форматы, аналогичные форматам электронных ламп.Форма кривых почти такая же, но напряжения обычно намного ниже. На входе — V _GS , на выходе — I _D . В этом случае MOSFET типа 2N7000 используется в N-канальном режиме расширения.

«Линия нагрузки» показана здесь пунктирной линией. Его наклон представляет собой эффект сопротивления нагрузки (например, лампочка на рис. 4 , ), и он весьма полезен как способ показать величину тока в любой ситуации.

РИСУНОК 4. Характеристические кривые для полевого МОП-транзистора 2N7000 с линией нагрузки.

---

В случае, показанном здесь, сопротивление нагрузки составляет 1000 Ом, а напряжение V _DS составляет 20 вольт. Пунктирная линия нагрузки проведена от максимально возможного напряжения (показано здесь как B) до максимально возможного тока с этой конкретной нагрузкой, который составляет 20 В / 1 кВт = 20 мА (показано как A). Если транзистор частично включен (V _GS = 3 вольта), ток стока будет около 11 мА, как показано пересечением (кружок под буквой C).

CMOS

Два МОП-транзистора противоположного типа могут быть подключены, как на рис. 5 , , в комплементарной конфигурации МОП («КМОП») .

РИСУНОК 5. Пара CMOS транзисторов. При отсутствии входного сигнала ток очень низкий.

---

Когда на вход не подается сигнал, один из транзисторов всегда «выключен», поэтому практически нулевой ток может проходить от источника питания вниз через резистор, а затем через пару транзисторов.Когда сигнал поступает на вход, ток нагрузки может поступать с выходной клеммы либо при высоком (V +), либо при низком (заземление) напряжении, в зависимости от полярности входного напряжения. Однако в ситуациях, когда нет входа, общий ток практически равен нулю.

В современных интегральных схемах миллионы транзисторов подключены параллельно, поэтому, если бы только микроампер «тока утечки» протекал через каждый из неиспользуемых транзисторов, ампер или более все равно потреблялись бы от источника питания или батареи.Это будет генерировать много тепла, а также слишком быстро разряжать батареи для портативных устройств. Поэтому почти все современные калькуляторы, портативные компьютеры, сотовые телефоны и т. Д. По возможности используют схемы CMOS.

Чувствительность к электростатическому разряду

МОП-транзистор особенно чувствителен к повреждению статическим электричеством, которое возникает, когда человек идет по ковру в сухую погоду. Искра, которую создает человек при прикосновении к металлической лицевой панели переключателя света, называется электростатическим разрядом , или «ESD», но полевой МОП-транзистор может быть поврежден, даже если статического электричества недостаточно, чтобы образовалась видимая искра.

Статическое электричество может разрушить очень тонкий оксид кремния, изолирующий затвор. Некоторые МОП-транзисторы защищены стабилитронами, подключенными параллельно им внутри корпусов, но большинство из них не защищены. Чтобы предотвратить повреждение, люди, работающие с IGFET, всегда должны соблюдать эти две меры предосторожности:

1. Касайтесь только пластиковой изоляции руками, а не металлическими выводами;
2. Используйте заземленный браслет.

Последний представляет собой пластиковую ленту (обычно черного или розового цвета), которая проводит электричество и прикрепляется к длинному проводу.Его следует закрепить на любом запястье, касаясь кожи человека, а затем другой конец провода подсоединить к надежному заземлению, например к водопроводу. NV

---

Список деталей

JFET	N-канал
Потенциометр	5000 Ом
Силовой полевой МОП-транзистор	N-канал
Колба лампы	Вольфрам, 12 В, 40 мА
Аккумулятор	Девять вольт
Мультиметр
Антистатический браслет

---

Полевой транзистор FET

ТРАНЗИСТОР ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА
6.1 ВВЕДЕНИЕ

1. Полевой транзистор сокращенно FET, это еще одно полупроводниковое устройство, такое как BJT, которое можно использовать в качестве усилителя или переключателя.
2. Полевой транзистор — это устройство, работающее от напряжения. В то время как биполярный транзистор — это устройство, управляемое током. В отличие от BJT полевой транзистор практически не требует входного тока.
3. Это дает ему чрезвычайно высокое входное сопротивление, что является его самым важным преимуществом перед биполярным транзистором.
4. FET также является трехполюсным устройством, обозначенным как исток, сток и затвор.
5. Исток можно рассматривать как эмиттер BJT, сток как коллектор, а затвор как противоположную часть базы.
6. Материал, соединяющий исток со стоком, называется каналом.

7. Работа полевого транзистора зависит только от потока основных несущих, поэтому они называются однополярными устройствами. Работа BJT зависит как от миноритарных, так и от мажоритарных перевозчиков.
8. Поскольку полевой транзистор имеет проводимость только через большинство несущих, он менее шумный, чем биполярный транзистор.
Полевые транзисторы
9. намного проще изготовить и особенно подходят для интегральных схем, поскольку они занимают меньше места, чем биполярные транзисторы.
Усилители на полевых транзисторах
10. имеют низкий коэффициент усиления из-за емкостных эффектов перехода и создают большие искажения сигнала, за исключением работы с малым сигналом.
11. На характеристики полевого транзистора практически не влияют изменения температуры окружающей среды.Поскольку он имеет отрицательный температурный коэффициент при высоких уровнях тока, он предотвращает термический пробой полевого транзистора. BJT имеет положительный температурный коэффициент при высоких уровнях тока, что приводит к тепловому пробою.

6.2 КЛАССИФИКАЦИЯ полевых транзисторов:
Существует две основные категории полевых транзисторов:
1. Переходные полевые транзисторы
2. МОП-транзисторы
Далее они подразделяются на P-канальные и N-канальные устройства.
Далее полевые МОП-транзисторы подразделяются на два типа полевых МОП-транзисторов с истощением и улучшенные. МОП-транзисторы
Когда канал имеет N-тип, JFET упоминается как N-канальный JFET, когда канал имеет P-тип, JFET упоминается как P-канальный JFET.
Условные обозначения для P-канальных и N-канальных полевых транзисторов показаны на рисунке.

6.3 КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО FET
Если затвор выполнен из материала N-типа, канал должен быть из материала P-типа.
КОНСТРУКЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО JFET

Кусок материала N-типа, называемый каналом, имеет два меньших куска материала P-типа, прикрепленных к его сторонам, образующих PN-переходы. Концы каналов обозначены как сток и исток. И два куска материала P-типа соединены вместе, и их вывод называется затвором. Поскольку этот канал находится в полосе N-типа, полевой транзистор известен как N-канальный JFET.
РАБОТА N-КАНАЛЬНОГО JFET: —
Общая работа JFET основана на изменении ширины канала для управления током стока.
Кусок материала N-типа, называемый каналом, имеет два меньших куска материала P-типа, прикрепленных к его участкам, которые создают PN-соединения. Концы канала обозначаются стоком и истоком. И два куска материала типа P соединены вместе, и их вывод называется затвором. Когда клемма затвора не подключена, а на стоке приложен положительный потенциал на истоке, течет ток стока Id. Когда затвор смещен отрицательно относительно источника, PN-переходы смещены в обратном направлении, и образуются области обеднения.Канал более легирован, чем затворные блоки P-типа, поэтому обедненные области проникают глубоко в канал. Поскольку обедненная область — это область, обедненная носителями заряда, она ведет себя как изолятор. В результате канал сужается. Его сопротивление увеличивается, а Id уменьшается. Когда отрицательное напряжение смещения затвора дополнительно увеличивается, обедненные области встречаются в центре, и Id полностью обрезается.
Есть два способа контролировать ширину канала

1. Изменяя значение Vgs
2. И изменяя значение Vds, сохраняя постоянную Vgs

1 Путем изменения значения Vgs: —
Мы можем изменять ширину канала и, в свою очередь, изменять ток стока.Это можно сделать, изменив значение Vgs. Этот момент проиллюстрирован на рисунке ниже. Здесь мы имеем дело с N канальным полевым транзистором. Таким образом, канал относится к типу N, а затвор — к типу P, который составляет PN-переход. Этот PN переход всегда имеет обратное смещение при работе JFET. Обратное смещение прикладывается напряжением батареи Vgs, подключенным между затвором и истоком, то есть положительный полюс батареи подключен к истоку, а отрицательный — к затвору.

1. Когда PN-переход имеет обратное смещение, электроны и дырки диффундируют через переход, оставляя неподвижные ионы на N- и P-сторонах, область, содержащая эти неподвижные ионы, известна как обедненные области.
2. Если обе области P и N сильно легированы, то область обеднения простирается симметрично с обеих сторон.
3. Но в N-канальном полевом транзисторе P-область сильно легирована, чем N-тип, поэтому обедненная область простирается больше в N-области, чем в P-области.
4. Таким образом, когда Vds не применяется, область обеднения симметрична, а проводимость становится нулевой. Так как мобильных операторов на стыке нет.
5. По мере увеличения напряжения обратного смещения толщина обедненной области также увеличивается.т.е. эффективная ширина канала уменьшается.
6. Изменяя значение Vgs, мы можем изменять ширину канала.

2 Изменение значения Vds при постоянном Vgs: —

1. Когда на затвор не подается напряжение, то есть Vgs = 0, Vds применяется между истоком и стоком, электроны будут течь от истока к стоку через канал, составляющий ток стока Id.
2. При Vgs = 0 для Id = 0 канал между затворными соединениями полностью открыт.В ответ на небольшое приложенное напряжение Vds вся полоса действует как простой полупроводниковый резистор, и ток Id линейно увеличивается с Vds.
3. Сопротивления каналов представлены как rd и rs, как показано на рис.

1. Этот увеличивающийся ток стока Id вызывает падение напряжения на rd, которое смещает в обратном направлении переход затвор-исток (rd> rs). Таким образом, формируется область обеднения, которая не является симметричной.
2. Область истощения, т.е. развитая, проникает глубже в канал возле стока и меньше в направлении истока, потому что Vrd >> Vrs. Таким образом, обратное смещение выше у стока, чем у истока.
3. В результате увеличивающаяся область истощения уменьшает эффективную ширину канала. В конце концов достигается напряжение Vds, при котором канал перекрывается. Это напряжение, при котором ток Id начинает выравниваться и приближаться к постоянному значению.
4. Итак, изменяя значение Vds, мы можем изменять ширину канала, сохраняя Vgs постоянным.

Когда применяются и Vgs, и Vds: —

Конечно, в принципе невозможно полностью закрыть канал и уменьшить ток Id до нуля, поскольку, если это действительно так, напряжение затвора Vgs прикладывается в направлении, обеспечивающем дополнительное обратное смещение

1. Когда напряжение подается между стоком и истоком с батареей Vdd, электроны текут от истока к стоку через узкий канал, существующий между областями истощения.Он составляет ток стока Id, его обычное направление — от стока к истоку.
2. Значение тока стока является максимальным, когда между затвором и истоком не подается внешнее напряжение, и обозначается Idss.

1. Когда Vgs увеличивается за пределы нуля, области истощения расширяются. Это уменьшает эффективную ширину канала и, следовательно, контролирует поток стока через канал.
2. При дальнейшем увеличении Vgs достигается стадия, на которой области истощения соприкасаются друг с другом, что означает, что весь канал закрывается областью истощения. Это снижает ток стока до нуля.

6.4 ХАРАКТЕРИСТИКИ N-КАНАЛЬНОГО JFET: —
Семейство кривых, показывающих соотношение между током и напряжением, известно как характеристические кривые.
Есть две важные характеристики JFET.

1. Характеристики слива или VI
2. Передаточная характеристика

1. Характеристики слива: —

Характеристики стока показывают соотношение между напряжением стока и истока Vds и током стока Id. Для объяснения типичных характеристик стока рассмотрим кривую с Vgs = 0.V.

1. Когда применяется Vds и он увеличивается, ID тока стока также линейно увеличивается до точки перегиба.
2. Это показывает, что полевой транзистор ведет себя как обычный резистор. Эта область называется омической областью.
3. ID увеличивается с увеличением напряжения стока в исток. Здесь ток стока увеличивается медленно по сравнению с омической областью.

4) Это из-за того, что есть увеличение VDS.Это, в свою очередь, увеличивает напряжение обратного смещения на переходе затвор-исток. В результате этого обедненная область увеличивается в размере, тем самым уменьшая эффективную ширину канала.

5) Все напряжение между стоком и истоком, соответствующее точке ширины канала, уменьшается до минимального значения и называется отсечкой.

6) Напряжение сток-исток, при котором происходит отсечка канала, называется напряжением отсечки (Vp).

PINCH OFF Регион: —

1. Это область, показанная кривой как область насыщения.
2. Это также называется областью насыщения или областью постоянного тока. Поскольку канал занят областью истощения, область истощения больше к стоку и меньше к истоку, поэтому канал ограничен, при этом только ограниченное количество несущих может пересекать этот канал только от стока истока, вызывая ток что постоянно в этом регионе. Чтобы использовать полевой транзистор в качестве усилителя, он работает в этой области насыщения.
3. При этом ток стока остается постоянным на максимальном значении IDSS.

1. Ток стока в области отсечки зависит от напряжения затвор-исток и определяется соотношением

Id = Idss [1-Vgs / Vp] 2
Это известно как родство Шокли.
ОБЛАСТЬ РАЗРЫВА: —

1. Область показана кривой. В этой области ток стока быстро увеличивается по мере увеличения напряжения стока к истоку.
2. Это из-за перехода затвор-исток из-за лавинного эффекта.
3. Лавинный пробой происходит при все более низком значении VDS, потому что напряжение затвора обратного смещения добавляется к напряжению стока, тем самым увеличивая эффективное напряжение на затворном переходе

Это вызывает

1. Максимальный ток стока насыщения меньше
2. Часть омической области уменьшилась.
1. Важно отметить, что максимальное напряжение VDS, которое может быть приложено к полевому транзистору, является самым низким напряжением, вызывающим доступный пробой.

1. РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —

Эти кривые показывают взаимосвязь между ID тока стока и напряжением затвор-исток VGS для различных значений VDS.

1. Сначала отрегулируйте напряжение сток-исток до некоторого подходящего значения, затем увеличьте напряжение затвор-исток до небольшого подходящего значения.
2. Постройте график между напряжением затвора и источником по горизонтальной оси и идентификатором тока по вертикальной оси. Мы получим такую ​​кривую.

1. Как известно, если Vgs больше отрицательных кривых стока, ток уменьшать. где Vgs делается достаточно отрицательным, Id уменьшается до нуля. Это вызвано расширением области истощения до точки, где она полностью закрывает канал.Значение Vgs в точке отсечки рассчитано как Vgsoff
.

1. Верхний конец кривой, показанный значением тока стока, равен Idss, то есть, когда Vgs = 0, ток стока максимален.

1. В то время как нижний конец обозначен напряжением, равным Vgsoff
2. Если Vgs постоянно увеличивается, ширина канала уменьшается, тогда Id = 0
3. Можно отметить, что кривая является частью параболы; это может быть выражено как

Id = Idss [1-Vgs / Vgsoff] 2
РАЗНИЦА МЕЖДУ Vp И Vgsoff —
Vp — это значение Vgs, которое заставляет JFET становиться постоянной составляющей тока. Оно измеряется при Vgs = 0 В и имеет постоянный ток стока Id = Idss.Где Vgsoff — значение Vgs, которое уменьшает Id примерно до нуля.
Почему переход затвор-исток полевого транзистора всегда имеет обратное смещение?
Переход затвор-исток полевого транзистора никогда не допускает прямого смещения, потому что материал затвора не предназначен для обработки какого-либо значительного количества тока. Если переходу позволено стать смещенным вперед, ток будет генерироваться через материал затвора. Этот ток может разрушить компонент.
Есть еще одна важная характеристика обратного смещения JFET, то есть J FET имеет чрезвычайно высокое характеристическое входное сопротивление затвора. Этот импеданс обычно находится в высоком мегаомном диапазоне. Благодаря чрезвычайно высокому входному сопротивлению, он не потребляет ток от источника. Высокое входное сопротивление полевого транзистора привело к его широкому использованию в интегральных схемах. Низкие текущие требования к компоненту делают его идеальным для использования в ИС. Где тысячи транзисторов должны быть вытравлены на одном куске кремния.Низкое потребление тока помогает ИС оставаться относительно прохладной, что позволяет разместить больше компонентов в меньшей физической области.
6.5 ПАРАМЕТРЫ JFET
Электрическое поведение JFET можно описать с помощью определенных параметров. Такие параметры получаются из характеристических кривых.
A C Сопротивление дренажу (кр.) :
Это также называется динамическим сопротивлением стока и представляет собой сопротивление переменного тока между выводами стока и истока, когда полевой транзистор JFET работает в области отсечки или насыщения.Он определяется отношением небольшого изменения напряжения стока к истоку ∆Vds к соответствующему изменению тока стока ∆Id для постоянного напряжения затвора и истока Vgs.
Математически это выражается как rd = ∆Vds / ∆Id, где Vgs остается постоянным.
ТРАНС ПРОВОДИМОСТЬ (гм):
Это также называется прямой крутизной. Он определяется отношением небольшого изменения тока стока (∆Id) к соответствующему изменению напряжения затвора и истока (∆Vds)
Математически крутизну можно записать как
gm = ∆Id / ∆Vds
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (µ)
Он определяется отношением небольшого изменения напряжения стока к истоку (∆Vds) к соответствующему изменению напряжения затвора и истока (∆Vgs) для постоянного тока стока (Id).
Таким образом, µ = ∆Vds / ∆Vgs, когда Id остается постоянным
Коэффициент усиления µ может быть выражен как произведение крутизны (gm) и сопротивления стока по переменному току (rd)
µ = ∆Vds / ∆Vgs = gm rd

6.6 МОДЕЛЬ МАЛЫХ СИГНАЛОВ НА ПОЛЕВЫХ УСИЛИЯХ: —
Эквивалентная схема линейного малого сигнала для полевого транзистора может быть получена способом, аналогичным тому, который использовался для получения соответствующей модели для транзистора.
Мы можем выразить ток стока iD как функцию f напряжения затвора и напряжения стока Vds.
Id = f (Vgs, Vds) —————— (1)
Крутизна gm и сопротивление стока rd: —
Если изменяются и напряжение затвора, и напряжение стока, изменение тока стока аппроксимируется с помощью ряда тейлоров с учетом только первых двух членов в разложении
. ∆id = | vds = константа .∆vgs | vgs = постоянная ∆vds
мы можем написать ∆id = id
∆vgs = vgs
∆vds = vds
Id = gm v Vds → (1)
Где gm = | Vds | Vds
gm = | Vds
Это взаимная проводимость или крутизна.Его также называют прямой проводимостью общего источника gfs или yfs.
Второй параметр rd — это сопротивление стока или выходное сопротивление, определяемое как
. rd = | Vgs | Vgs = | Vgs
rd = | Vgs
Обратной величине rd является проводимость стока gd. Она также обозначается Йосом и Госом и называется выходной проводимостью общего истока. Таким образом, эквивалентную схему малого сигнала для полевого транзистора можно нарисовать двумя разными способами.
1. малый сигнальный ток — модель
2.Модель источника напряжения слабого сигнала.
Модель источника тока слабого сигнала для полевого транзистора с общей конфигурацией источника может быть построена, удовлетворяя уравнению → (1), как показано на рисунке (a)
Эта низкочастотная модель полевого транзистора имеет выходную цепь Нортона с генератором зависимого тока, величина которого пропорциональна напряжению между затвором и источником. Коэффициент пропорциональности — это крутизна «gm». Выходное сопротивление — «rd». Входное сопротивление между затвором и истоком бесконечно, поскольку предполагается, что затвор с обратным смещением не потребляет ток.По той же причине предполагается, что сопротивление между затвором и стоком бесконечно.
Модель источника напряжения слабого сигнала показана на рисунке (b).
Это можно получить, найдя эквивалент Тевенина для выходной части рис (а).
Эти малосигнальные модели для полевого транзистора можно использовать для анализа трех основных конфигураций усилителя полевого транзистора:
1. общий источник (CS) 2. общий сток (CD) или повторитель источника
3. общие ворота (CG).
(a) Модель источника тока слабого сигнала для полевого транзистора (b) Модель источника напряжения малого сигнала для полевого транзистора
Здесь входная цепь остается разомкнутой из-за высокого входного сопротивления, а выходная цепь удовлетворяет уравнению для ID
6,7 MOSFET: —
Теперь обратим наше внимание на полевой транзистор с изолированным затвором или металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор, который имеет большее коммерческое значение, чем полевой транзистор с переходом.
Однако большинство полевых МОП-транзисторов являются триодами с внутренней подложкой, подключенной к источнику.Условные обозначения схем, используемые несколькими производителями, показаны на рисунке ниже.

(a) MOSFET обедненного типа (b) MOSFET улучшенного типа
Оба они являются P-канальными
Вот два основных типа МОП-транзисторов
(1) Тип истощения (2) MOSFET типа расширения.
D-МОП-транзисторы могут работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.Полевые МОП-транзисторы E могут работать только в режиме улучшения. Основное различие между ними — их физическая конструкция.
Конструктивная разница между ними показана на рисунке ниже.

Как мы видим, D-MOSFET имеет физический канал между выводами истока и стока (заштрихованная область)

E MOSFET, с другой стороны, физически не имеет такого канала. Формирование канала между истоком и стоком зависит от напряжения затвора.
Оба полевых МОП-транзистора имеют изолирующий слой между затвором и остальной частью компонента. Этот изолирующий слой состоит из SIO2, изоляционного материала, подобного стеклу. Материал затвора состоит из металлического проводника. Таким образом, переходя от затвора к подложке, мы можем получить полупроводник из оксида металла, откуда и происходит термин MOSFET.
Поскольку затвор изолирован от остальной части компонента, полевой МОП-транзистор иногда называют полевым транзистором с изолированным затвором или IGFET.
Основа полевого МОП-транзистора называется подложкой.Этот материал представлен в условном обозначении центральной линией, которая соединена с источником.
В символе полевого МОП-транзистора стрелка расположена на подложке. Как и в случае с JFET, стрелка, указывающая внутрь, представляет N-канальное устройство, а указывающая стрелка представляет собой p-канальное устройство.

КОНСТРУКЦИЯ N-КАНАЛЬНОГО МОП-транзистора: —
МОП-транзистор с N-каналом состоит из слаболегированного вещества p-типа, в которое рассеиваются две сильно легированные области n +, как показано на рис.Эти n + секций, которые будут действовать как исток и сток. Тонкий слой изоляционного диоксида кремния (SIO2) нарастает по поверхности конструкции, а в оксидном слое прорезаются отверстия, позволяющие контактировать с истоком и стоком. Затем металлическая область затвора накладывается на оксид, покрывая всю область канала. Металлические контакты сделаны для стока и истока, а контакт с металлом по площади канала является выводом затвора. изолирующий диэлектрический оксидный слой и полупроводниковый канал образуют конденсатор с параллельными пластинами.Изоляционный слой из sio2
Это причина, по которой это устройство называется полевым транзистором с изолированным затвором. Этот слой обеспечивает чрезвычайно высокое входное сопротивление (от 10 10 до 10 Ом, 15 Ом) для полевого МОП-транзистора.
6.7.1 ВЫПУСКНОЙ МОП-транзистор
Базовая структура D –MOSFET показана на рис. N-канал распространяется между истоком и стоком с устройством, и значительный ток стока IDSS течет от нулевого затвора к напряжению истока, Vgs = 0.

Работа в режиме истощения: —

1. На приведенном выше рисунке показаны условия работы D-MOSFET с закороченными вместе клеммами затвора и истока (VGS = 0 В)

1. На этом этапе ID = IDSS, где VGS = 0 В, с этим напряжением VDS протекает заметный ток стока IDSS.

1. Если напряжение между затвором и истоком становится отрицательным, т. Е. Отрицательное напряжение VG, в канале индуцируются положительные заряды через SIO2 конденсатора затвора.

1. Поскольку ток в полевом транзисторе обусловлен основными носителями (электронами для материала N-типа), индуцированные положительные заряды делают канал менее проводящим, и ток стока падает, когда Vgs становится более отрицательным.

1. Перераспределение заряда в канале вызывает эффективное истощение основных носителей, что и объясняет обозначение истощения MOSFET.

1. Это означает, что напряжение смещения Vgs истощает канал свободных носителей. Это эффективно уменьшает ширину канала, увеличивая его сопротивление.

1. Обратите внимание, что отрицательный Vgs оказывает такое же влияние на полевой МОП-транзистор, как и на полевой транзистор JFET.

1. Как показано на рисунке выше, слой истощения, создаваемый Vgs (представленный белым пространством между изоляционным материалом и каналом), врезается в канал, уменьшая его ширину.В результате Id

Работа в режиме расширения D-MOSFET: —

1. Этот режим работы является результатом приложения положительного затвора к источнику напряжения Vgs на устройство.
2. Когда Vgs положительный, канал эффективно расширяется. Это снижает сопротивление канала, позволяя ID превышать значение IDSS
.
3. Когда Vgs задан положительным, большинство носителей в p-типе являются дырками.Отверстия в подложке p-типа отражаются положительным напряжением затвора.
4. В то же время электроны зоны проводимости (неосновные носители) в материале p-типа притягиваются к каналу под действием напряжения затвора +.
5. По мере накопления электронов около канала, область справа от физического канала фактически становится материалом N-типа.
6. Расширенный канал типа n теперь допускает больший ток, Id> Idss

Характеристики истощающего полевого МОП-транзистора: —
Фиг.показывает характеристики стока для N-канального обедненного типа MOSFET

.

1. Кривые построены как для положительного, так и для отрицательного напряжения Vgs

.

1. Когда Vgs = 0 и отрицательное значение, полевой МОП-транзистор работает в режиме истощения, когда значение Vgs положительно, полевой МОП-транзистор работает в режиме улучшения.
2. Разница между JFET и D MOSFET заключается в том, что JFET не работает при положительных значениях Vgs.

1. Когда Vds = 0, между истоком и стоком нет проводимости, если Vgs <0 и Vds> 0, то Id увеличивается линейно.

1. Но, как и Vgs, 0 создает дырки для положительных зарядов в канале и регулирует ширину канала. Таким образом, проводимость между истоком и стоком поддерживается постоянной, то есть Id постоянным.

1. Если Vgs> 0, затвор индуцирует больше электронов на стороне канала, к нему добавляются свободные электроны, генерируемые источником. снова потенциал, приложенный к затвору, определяет ширину канала и поддерживает постоянный ток через него, как показано на Рис.
.

РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —
Комбинация 3 рабочих состояний i.е. Vgs = 0V, VGs <0V, Vgs> 0V представлены кривой крутизны D MOSFET, показанной на рис.

.

1. Здесь на этой кривой можно отметить, что область АВ по характеристикам аналогична таковой у JFET.

1. Эта кривая продолжается для положительных значений Vgs

1. Обратите внимание, что Id = Idss для Vgs = 0 В, когда Vgs отрицательное, Id Idss.Таким образом, очевидно, что Idss не является максимально возможным значением Id для полевого МОП-транзистора.

1. Кривые аналогичны JFET, поэтому D MOSFET имеет такое же уравнение крутизны.

6.7.2 Электронные МОП-транзисторы
E MOSFET может работать только в режиме улучшения. Потенциал затвора должен быть положительным по отношению к источнику.

1. при значении Vgs = 0 В канал, соединяющий материалы истока и стока, отсутствует.

1. В результате не может быть значительного тока стока.

1. Когда Vgs = 0, источник Vdd пытается вынудить свободные электроны от истока к стоку, но наличие p-области не позволяет электронам проходить через нее. Таким образом, при Vgs = 0,
ток стока отсутствует.

1. Если Vgs положительный, он индуцирует отрицательный заряд в подложке p-типа в непосредственной близости от слоя SIO2.

1. Поскольку дырки отталкиваются положительным напряжением затвора, электроны неосновных носителей притягиваются к этому напряжению.Это образует эффективный мост типа N между истоком и стоком, обеспечивающий путь для тока стока.

1. Это положительное напряжение затвора образует канал между истоком и стоком.

1. Это создает тонкий слой канала N-типа в субпарате P-типа. Этот слой свободных электронов называется инверсионным слоем N-типа.

1. Минимальное значение Vgs, которое создает этот инверсионный слой, называется пороговым напряжением и обозначается как Vgs (th).Эта точка, в которой устройство включается, называется пороговым напряжением Vgs (th)
2. Когда напряжение Vgs

1. Однако, когда напряжение Vgs> Vgs (th), инверсионный слой подключает сток к истоку, и мы получаем значительные значения тока.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-транзистора E: —

1. ДРЕНАЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вольт-амперные характеристики стока N-канального МОП-транзистора в режиме улучшения приведены на рис.

1. РАЗДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: —
1. Текущее значение Idss при Vgs≤ 0 очень мало, порядка нескольких наноампер.
2. Когда Vgs становится + ve, ток Id медленно увеличивается вначале, а затем намного быстрее с увеличением Vgs.
3. Стандартная формула крутизны не работает для E MOSFET.
4. Чтобы определить значение ID при заданном значении VG, мы должны использовать следующее соотношение

Id = K [Vgs-Vgs (Th)] 2
Где K является постоянным для полевого МОП-транзистора.найдено как
К =
Судя по листам технических данных, 2N7000 имеет следующие характеристики.
Id (on) = 75 мА (минимум).
И Vgs (th) = 0,8 (минимум)

6,8 ПРИМЕНЕНИЕ MOSFET
Один из основных вкладов в электронику, внесенный полевыми МОП-транзисторами, можно найти в области цифровой (компьютерной электроники). Сигналы в цифровых схемах состоят из быстро переключающихся уровней постоянного тока. Этот сигнал называется прямоугольной волной, состоящей из двух уровней постоянного тока (или логических уровней).Эти логические уровни — 0 В и + 5 В.
Группа схем с аналогичной схемотехникой и рабочими характеристиками называется логическим семейством. Все схемы в данном семействе логики реагируют на одни и те же логические уровни, имеют одинаковую скорость и возможности управления мощностью и могут быть напрямую связаны друг с другом. Одним из таких семейств логики является дополнительная логика MOS (или CMOS). Это семейство логики полностью состоит из полевых МОП-транзисторов.
6.9 ПОЛЯРНЫЙ ПАТРУБОК: —
Для правильного функционирования линейного усилителя на полевых транзисторах необходимо поддерживать стабильную рабочую точку Q в центральной части зоны отсечки. Точка Q не должна зависеть от изменений параметров устройства и колебаний температуры окружающей среды
Это может быть достигнуто путем подходящего выбора напряжения VGS затвор-исток и ID тока стока, что называется смещением
. Цепи смещения JFET очень похожи на схемы смещения BJT Основное различие между цепями JFET и BJT заключается в работе самих активных компонентов
Существует два основных типа цепей смещения

.

1. Самостоятельное смещение
2. Смещение делителя напряжения.

6.9.1 САМОСмещение
Самосмещение — это схема смещения полевого транзистора, в которой используется истоковый резистор для обратного смещения затвора полевого транзистора. Схема самосмещения показана на рис. Самостоятельное смещение является наиболее распространенным типом смещения JFET. Этот полевой транзистор должен работать так, чтобы переход затвор-исток всегда был смещен в обратном направлении. Это условие требует отрицательного VGS для N-канального JFET и положительного VGS для P-канального JFET. Этого можно добиться, используя самосмещение, как показано на рис.Затворный резистор RG не влияет на смещение, потому что он практически не имеет падения напряжения на нем, и: затвор остается на уровне 0 В. RG необходим только для изоляции сигнала переменного тока от земли в усилителях. Падение напряжения на резисторе RS вызывает обратное смещение перехода затвор-исток.

Для анализа постоянного тока конденсаторы связи представляют собой разомкнутые цепи.
Для N-канального полевого транзистора на рис. (A)
IS вызывает падение напряжения на RS и делает источник положительным w.r.t земли. В любой схеме JFET весь ток истока проходит через устройство в цепь стока. Это связано с тем, что нет значительного тока затвора.
Мы можем определить ток источника как IS = ID
(VG = 0, потому что в RG нет тока затвора, поэтому VG через RG равен нулю)
VG = 0, затем VS = ISRS = ID RS
VGS = VG-VS = 0-ID RS = — ID RS
Анализ собственного напряжения постоянного тока: —
В следующем анализе постоянного тока N-канальный J FET, показанный на рис.используется для иллюстрации.
Для анализа постоянного тока мы можем заменить конденсаторы связи на разомкнутые цепи, а также мы можем заменить резистор RG эквивалентом короткого замыкания.:. IG = 0. Связь между ID и VGS задается формулой
Id = Idss [1-] 2
VGS для N-канального JFET = -id Rs
Подставляя это значение в уравнение выше
Id = Idss [1-] 2
Id = Idss [1+] 2
Для полевого транзистора N-chanel на рисунке выше
Is вызывает падение напряжения на Rs и делает источник положительным w.r.t заземление в любой цепи JFET весь ток истока проходит через устройство в цепь стока, это связано с тем, что нет значительного тока затвора. Следовательно, мы можем определить ток источника как Is = Id и Vg = 0, тогда
Vs = Is Rs = IdRs
Vgs = Vg-Vs = 0-IdRs = -IdRs
Рисование линии самосмещения: —
Типичные передаточные характеристики полевого транзистора с самосмещением показаны на рис.
Максимальный ток стока составляет 6 мА, а напряжение отключения затвора истока составляет -3 В.Это означает, что напряжение затвора должно быть в пределах от 0 до -3 В.

Теперь, используя уравнение VGS = -IDRS и предполагая RS любого подходящего значения, мы можем нарисовать линию собственного смещения.
Допустим, RS = 500 Ом
С помощью этого Rs мы можем построить две точки, соответствующие ID = 0 и Id = IDSS
. для ID = 0
VGS = -ID RS
VGS = 0X (500 Ом) = 0 В
Итак, первая точка (0, 0)
(Id, VGS)
Для ID = IDSS = 6 мА
VGS = (-6 мА) (500 Ом) = -3 В
Таким образом, вторая точка будет (6 мА, -3 В)
Построив эти две точки, мы можем провести прямую линию через точки.Эта линия будет пересекать кривую крутизны и известна как линия самосмещения. Точка пересечения дает рабочую точку JFET самосмещения для схемы.
В точке Q значение ID немного> 2 мА, а VGS немного> -1 В. Точка Q для полевого транзистора с самосмещением зависит от значения Rs. Если Rs велико, точка Q находится далеко внизу на кривой крутизны, ID маленький, когда Rs маленький, точка Q находится далеко вверх по кривой, ID большой.
6.9.2 Смещение делителя напряжения: —

Фиг.показывает N-канальный JFET со смещением делителя напряжения. Напряжение на истоке JFET должно быть более положительным, чем напряжение на затворе, чтобы соединение затвор-исток оставалось смещенным в обратном направлении. Напряжение источника
VS = IDRS
Напряжение затвора устанавливается резисторами R1 и R2, как выражается в следующем уравнении с использованием формулы делителя напряжения.
Vg = Vdd
Для анализа постоянного тока

Применение КВЛ во входной цепи
VG-VGS-VS = 0
:: VGS = VG-Vs = VG-ISRS
VGS = VG-IDRS :: IS = ID
Применяя КВЛ к входной цепи получаем
VDS + IDRD + VS-VDD = 0
:: VDS = VDD-IDRD-IDRS
VDS = VDD-ID (RD + RS)
Точка Q усилителя JFET, использующего смещение делителя напряжения, составляет
IDQ = IDSS [1-VGS / VP] 2
VDSQ = VDD-ID (RD + RS)
СРАВНЕНИЕ МОП-транзистора с JFET

1. В полевых МОП-транзисторах с усилением и истощением поперечное электрическое поле, индуцированное через изолирующий слой, нанесенный на полупроводниковый материал, регулирует проводимость канала.
2. В полевом транзисторе JFET поперечное электрическое поле через PN-переход с обратным смещением контролирует проводимость канала.
3. Ток утечки затвора в полевом МОП-транзисторе составляет порядка 10–12 А. Следовательно, входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень велико, порядка 1010–1015 Ом. Ток утечки затвора полевого транзистора составляет порядка 10–9 А., а его входное сопротивление — порядка 108 Ом.
4. Выходные характеристики JFET более плоские, чем у MOSFET, и, следовательно, сопротивление стока JFET (0.От 1 до 1 МОм) намного выше, чем у полевого МОП-транзистора (от 1 до 50 кОм).
5. JFET работают только в режиме истощения. MOSFET истощенного типа может работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.
6. По сравнению с JFET, MOSFET проще в изготовлении.
7. Доступны специальные цифровые КМОП-схемы, которые предполагают практически нулевое рассеивание мощности и очень низкие требования к напряжению и току. Это делает их подходящими для портативных систем.

Источник: https://www.snscourseware.org/snsct/files/CW_595634b70671f/EDC%20unit%206%20FET.doc

Если вы являетесь автором приведенного выше текста и не соглашаетесь делиться своими знаниями для обучения, исследований, стипендий (для добросовестного использования, как указано в авторских правах США), отправьте нам электронное письмо, и мы быстро удалим ваш текст. Добросовестное использование — это ограничение и исключение из исключительного права, предоставленного законом об авторском праве автору творческой работы.В законах США об авторском праве добросовестное использование — это доктрина, которая разрешает ограниченное использование материалов, защищенных авторским правом, без получения разрешения от правообладателей. Примеры добросовестного использования включают комментарии, поисковые системы, критику, репортажи, исследования, обучение, архивирование библиотек и стипендии. Он предусматривает легальное, нелицензионное цитирование или включение материалов, защищенных авторским правом, в работы других авторов в соответствии с четырехфакторным балансирующим тестом. (источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Fair_use)

Информация о медицине и здоровье, содержащаяся на сайте, имеет общий характер и цель, которая является чисто информативной и по этой причине не может в любом случае заменить совет врача или квалифицированного лица, имеющего законную профессию.

Тексты являются собственностью соответствующих авторов, и мы благодарим их за предоставленную нам возможность бесплатно делиться своими текстами с учащимися, преподавателями и пользователями Интернета, которые будут использоваться только в иллюстративных образовательных и научных целях.

Полевые транзисторы (FET) — EVE GmbH

		Записи с 1 по 20 из 33 Обратите внимание на нашу минимальную сумму заказа 200,00 евро.
			IRL530NPBF International Rectifier N-LogL power MOSFET 100 В 17 A 62 Вт TO 220 AB ЕВА: IRL530N	PU: 50 шт. MOQ: Только 100 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			IRF530PBF VISHAY N-Ch мощный полевой МОП-транзистор 100 В 14 A 88 Вт TO 220 AB ЕВА: IRF530	PU: 50 шт. MOQ: Только 50 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.	из 50 шт): € 0.6075 * из 100 шт): 0,5549 € * из 500 шт): € 0.5468 *	в спецификацию
			BUZ11_NR4941 Fairchild N-Ch power MOSFET 50 В 30 A 75 Вт TO 220 AB ЕВА: BUZ11	PU: 50 шт. РПУ: 50 шт. MOQ: 50 шт. И кратное	на складе: 0 шт.	из 50 шт): € 1.0500 * из 100 шт): € 0,9000 * из 500 шт): € 0.6500 *	в спецификацию
			IRLML2402TRPBF International Rectifier SMD N-LogL power MOSFET 20 В 1.2 А 0,54 Вт SOT 23 ЕВА: IRLML2402SMD	PU: 3000 шт. MOQ: Только 3000 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			BSS84R SMD P-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 50 В 0.13 А 0,36 Вт SOT 23 EVE: BSS84R	PU: 3000 шт. MOQ: Только 3000 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			BSS84LT1G SMD P-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 50 В 0.13 А 0,36 Вт SOT 23 ЕВА: BSS84	PU: 3000 шт. MOQ: 1000 шт. И кратное	на складе: 0 шт.	из 1,000 шт): € 0.2257 *	в спецификацию
			BS170 МОП-транзистор N-VMOS 60 В 0.5 А 0,83 Вт К 92 ЕВА: BS170	PU: 10000 шт. MOQ: 500 шт. И кратное	на складе: 0 шт.	из 500 шт): € 0.1340 * из 5 000 шт): 0,1250 € * из 10 000 шт): € 0.1206 *	в спецификацию
			IRL540NPBF International Rectifier N-LogL power MOSFET 100 В 33 A 140 Вт TO 220 AB ЕВА: IRL540N	PU: 50 шт. MOQ: Только 100 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			IRF540PBF VISHAY N-Ch power MOSFET 100 В 28 А 150 Вт ДО 220 AB ЕВА: IRF540	PU: 50 шт. MOQ: Только 50 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.	из 50 шт): € 0.4313 * из 100 шт): 0,3939 € * из 500 шт): € 0.3824 *	в спецификацию
			IRLML2502TRPBF International Rectifier SMD N-LogL power MOSFET 20 В 4.2 А 1,25 Вт SOT 23 ЕВА: IRLML2502SMD	PU: 3000 шт. MOQ: 1000 шт. И кратное	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			BSS123LT1G SMD N-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 100 В 0.17 А 0,36 Вт СОТ 23 ЕВА: BSS123R	PU: 3000 шт. MOQ: Только 3000 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.	из 3 000 шт): € 0.1123 * из 6000 шт): 0,1082 € * из 9 000 шт): € 0.1040 *	в спецификацию
			BSS123LT1G SMD N-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 100 В 0.17 А 0,36 Вт СОТ 23 ЕВА: BSS123	PU: 3000 шт. MOQ: 1000 шт. И кратное	на складе: 0 шт.	из 1,000 шт): € 0.2080 *	в спецификацию
			BS250P P-VMOS МОП-транзистор 45 В 0.25 А 0,83 Вт К 92 ЕВА: BS250		на складе: 0 шт.		в спецификацию
			IRL3803PBF International Rectifier N-LogL power MOSFET 30 В 140 A 200 Вт TO 220 AB ЕВА: IRL3803	PU: 50 шт. MOQ: Только 100 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			IRF640PBF VISHAY N-Ch мощный полевой МОП-транзистор 200 В 18 A 125 Вт TO 220 AB ЕВА: IRF640	PU: 50 шт. MOQ: Только 50 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.	из 50 шт): € 0.9747 * из 100 шт): 0,8902 € * из 500 шт): € 0.8447 *	в спецификацию
			IRLML2803TRPBF International Rectifier SMD N-LogL power MOSFET 30 В 1.2 А 0,54 Вт SOT 23 ЕВА: IRLML2803SMD	PU: 3000 шт. MOQ: 1000 шт. И кратное	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			BSS138LT1G SMD N-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 50 В 0.2 А 0,36 Вт SOT 23 ЕВА: BSS138R	PU: 3000 шт. MOQ: Только 3000 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.	из 3 000 шт): € 0.1617 * из 6000 шт): 0,1557 € * из 9 000 шт): € 0.1498 *	в спецификацию
			BSS138LT1G SMD N-Ch маломощный полевой МОП-транзистор 50 В 0.2 А 0,36 Вт SOT 23 ЕВА: BSS138	PU: 3000 шт. MOQ: 500 шт. И кратное	на складе: 0 шт.	из 500 шт): € 0.2995 *	в спецификацию
			IRLZ34NPBF International Rectifier N-Ch power MOSFET 55 В 29 A 68 Вт TO 220 AB ЕВА: IRLZ34N	PU: 50 шт. MOQ: Только 100 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию
			IRF640NPBF International Rectifier N-Ch power MOSFET 200 В 18 A 150 Вт TO 220 AB EVE: IRF640N	PU: 50 шт. MOQ: Только 100 шт. И полные PU	на складе: 0 шт.		в спецификацию

(PDF) Углеродный полевой транзистор с графеном и алмазоподобным углеродом

Поверхностная эффективная подвижность рассчитывается как [40,41]

IDS ¼Wensvs¼Wensμeff

VDS

LG

 μeff ¼

gDLG

Wens

где e — элементарный электрический заряд, v

s

— скорость поверхностного носителя

, n

s

— двумерная поверхностная плотность носителя, g

D

— это

проводимость стока (= ∂I

DS

/ ∂V

DS

).Двумерная поверхностная плотность носителей

, индуцированная V

DS

и V

GS

, рассчитывается на основе двух моделей

для V

GS

конденсатора с параллельными пластинами (диэлектрик с верхним затвором) и для V

DS

распределения несущей в канале. Согласно измерениям C-V

, диэлектрическая проницаемость конденсатора верхнего затвора составляет

5,1, а расчетная эквивалентная толщина оксида (EOT) составляет 37 нм

[42].Поверхностные эффективные подвижности при g

mn, max

и g

mn, max

, которые

обозначаются как μ

eff, nmax

и μ

eff, pmax

, в результате получаем 1120 см

2

/ В с и

1850 см

2

/ В с соответственно. Эти значения сопоставимы со значениями

других GFET на кристаллических подложках SiC с лицевой стороной Si [6,15,16,20,29,43],

, предполагая, что формирование слоя верхнего затвора DLC не вызывает

явное повреждение электронных транспортных характеристик

графенового канала.Наш метод PA-CVD подходит для формирования диэлектриков затвора

на графене.

В данной работе мы изготовили DLC-GFET с длинным затвором длиной

(5 мкм) и толстой диэлектрической пленкой с верхним затвором DLC (48 нм). DLC-пленка

имеет одинаковый профиль глубины и может реализовать

вертикальное масштабирование, необходимое для получения ультратонкой DLC-пленки (рис. 2).

Таким образом, высокопроизводительный DLC-GFET ожидается как при вертикальном масштабировании

(уменьшение толщины пленки верхнего затвора), так и горизонтальном (уменьшение длины затвора

) [44].

4. Выводы

В настоящей работе на эпитаксиальном графене

, приготовленном на эпитаксиальном графене

, изготовлен полевой транзистор с графеновым каналом и толщиной 48 нм. подложка Si-face 6H – SiC. Используя

наш оригинальный метод PA-CVD, DLC-пленка формируется «непосредственно» на канале графена

без образования сложных пассивирующих прослоек.

DLC-GFET демонстрирует четкие амбиполярные характеристики со слегка положительным сдвигом точек Дирака на

из-за непреднамеренного допирования отверстия

из пленки DLC в графеновый канал.Голубые сдвиги

положения пиков G-полосы и 2D-полосы для графенового канала

в спектре комбинационного рассеяния после легирования опорных отверстий для образования DLC.

Пробивная прочность диэлектрика с верхним затвором DLC составляет 4,5 МВ /

см для положительной поляризации и 3,5 МВ / см для отрицательной поляризации

. Хотя обе силы достаточно высоки для операций FET

, разница в силах полярности смещения связана с

p – n-переходом, сформированным на границе DLC / графен.При относительно длинной длине затвора

, равной 5 мкм, максимальная крутизна

на единицу ширины устройства в n-канальном и p-канальном режимах (g

mn,

max

и g

mp, max

) составляют 14,6 мСм / мм и 8,8 мСм / мм соответственно. Поверхностная эффективная подвижность

при g

mn, max

и g

mp, max

дает 1,120

и 1850 см

2

/ В с, соответственно, что сопоставимо со значениями

для других полевых транзисторов из эпитаксиального графена на Si-гранях SiC-подложек.

Эти результаты предполагают, что формирование слоя DLC диэлектрика верхнего затвора

не вызывает очевидного повреждения графенового канала, а

наш метод PA-CVD подходит для формирования диэлектриков затвора на графене.

Единый профиль глубины DLC-пленки, проанализированный SIMS, указывает

на потенциал вертикального масштабирования для получения ультратонкой DLC-пленки. DLC-GFET

состоит из длинного затвора (5 мкм) и толстой пленки

DLC с верхним затвором (48 нм).Таким образом, как по вертикали (уменьшение толщины затвора сверху

), так и по горизонтали (уменьшение длины затвора) должно быть реализовано высокопроизводительный DLC-GFET с помощью

.

Благодарность

Этот проект финансируется JST-CREST. Это исследование

было частично выполнено в Лаборатории наноэлектроники и

спинтроники Научно-исследовательского института электросвязи Университета Тохоку

.

Список литературы

[1] K.Новоселов С. Гейм, С.В. Морозов, Д. Цзян, Ю. Чжан, С.В. Дубонос, И.

Григорьева, А.А. Фирсов, Наука 306 (2004) 666–669.

[2] С.В. Морозов, К. Новоселов, М. Кацнельсон, Ф. Щедин, Д.К. Элиас, Дж. Ящак,

А.К. Гейм, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 016602.

[3] К.И. Болотин, К. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, H.L. Stormer,

Solid State Commun. 146 (2008) 351–355.

[4] М. Орлита, К. Фогерас, П.Плохоцка, П. Нойгебауэр, Г. Мартинес, Д.К. Maude, A.L.

Barra, M. Sprinkle, C. Berger, W.A. de Heer, M. Potemski, Phys. Rev. Lett. 101

(2008) 267601.

[5] F. Schwierz, Nat. Nanotechnol. 5 (2010) 487–496.

[6] Ю.М. Лин, К. Димитракопулос, К.А. Дженкинс, Д. Фермер, Х. Chiu, A. Grill, P.

Avouris, Science 327 (2010) 662.

[7] L. Liao, Y.C. Линь, М. Бао, Р. Ченг, Дж. У. Бай, Ю.А. Лю, Y.Q. Цюй, К. Ван, Ю. Хуанг,

X.Ф. Дуан, Nature 467 (2010) 305–308.

[8] Y.Q. Ву, Ю. Линь, А.А. Бол, К.А. Дженкинс, Ф. Ся, Д. Фермер, Ю. Чжу, П. Авурис,

Nature 472 (2011) 74–78.

[9] M.C. Лемм, Т.Дж. Echtermeyer, M. Baus, H. Kurz, IEEE Electron Device Lett. 28

(2007) 282–284.

[10] M.C. Лемм, Т.Дж. Эхтермейер, М. Баус, Б.Н. Шафранек, Дж. Болтен, М. Шмидт, Т.

Уолбринк, Х. Курц, Твердотельная электроника. 52 (2008) 514–518.

[11] Ю.М. Ссылка.A. Jenkins, A. Valdes-Garcia, J.P. Small, D.B. Farmer, P. Avouris, Nano

Lett. 9 (2009) 422–426.

[12] A. Pirkle, R.M. Уоллес, Л. Коломбо, Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 133106.

[13] Б. Фаллахазад, С. Ким, Л. Коломбо, Э. Тутук, Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 123105.

[14] I. Meric, C.R. Dean, A.F. Young, N. Baklitskaya, N.J. Tremblay, C. Nuckolls, P. Kim,

K.L. Shepard, Nano Lett. 11 (2011) 1093–1097.

[15] G. Gu, S. Nie, R.M. Feenstra, Р.П. Девати, В.Дж. Чойк, В.К. Чан, М. Kane, Appl.

Phys. Lett. 90 (2007) 253507.

[16] J. Kedzierski, P.L. Хсу, П. Хили, П.В. Wyatt, C.L. Кист, М. Спринкл, К. Бергер,

W.A. de Heer, IEEE Trans. Электронные устройства 55 (2008) 2078–2085.

[17] Y.Q. Ву, П. Е., М.А. Капано, Ю. Сюань, Ю. Суй, М. Ци, Дж. А. Купер, Т. Шен, Д. Pandey, G.

Prakash, R. Reifenberger, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 0

.

[18] J.S. Мун, Д. Кертис, М. Ху, Д.Вонг, К. Макгуайр, П.М. Кэмпбелл, Дж. Джерниган, Дж. Л.

,

Тедеско, Б. Ванмил, Р. Майерс-Уорд, К. Дж. Эдди, Д. К. Gaskill, IEEE Electron Device

Lett. 30 (2009) 650–652.

[19] J.S. Мун, Д. Кертис, С. Буй, М. Ху, Д.К. Гаскилл, Дж.Л. Тедеско, П. Асбек, Г.Г. Джерниган,

Б.Л. ВанМил, Р.Л. Майерс-Уорд, К.Р. Эдди, П.М. Кэмпбелл, X. Weng, IEEE Electron

Device Lett. 31 (2010) 260–262.

[20] X.B. Ли, X.S. Ву, М. Спринкл, Ф. Мин, М. Руан, Ю.К.Hu, C. Berger, W.A. de Heer,

Phys. Статус Solidi A 207 (2010) 286–290.

[21] О.М. Найфех, Т. Марр, М. Дубей, IEEE Electron Device Lett. 32 (2011) 473–475.

[22] S. Aisenberg, R. Chabot, J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953–2958.

[23] J. Robertson, Mater. Sci. Англ. Р 37 (2002) 129–281.

[24] M. Massi, H.S. Maciel, C. Otani, R.D. Mansano, P. Verdonck, J. Mater. Sci. Матер.

Электрон. 12 (2001) 343–346.

[25] С. Такабаяси, К.Окамото, К. Шимада, К. Мотом итцу, Х. Мотояма, Т. Накатани,

Х. Сакауэ, Х. Сузуки, Т. Такахаги, Jpn. J. Appl. Phys. 47 (2008) 3376–3379.

[26] S. Takabayashi, K. Okamoto, H. Sakaue, T. Takahagi, K. Shimada, T. Nakatani, J.

Appl. Phys. 104 (2008) 043512.

[27] Дж. Шмидт, Р. Б. Бек, С. Митура, А. Соколовска, Diamond Relat. Матер. 3 (1994)

853–857.

[28] Н. Конофаос, К. Б. Томас, J. Appl. Phys. 81 (1997) 6238–6245.

[29] С.Бергер, З. Песня, Т. Ли, Х.Б. Ли, А.Ю. Огбазги, Р. Фэн, З.Т. Дай, А.Н. Марченков,

E.H. Конрад, П. Во-первых, W.A. de Heer, J. Phys. Chem. B 108 (2004) 19912–19916.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

г (мСм / мм)

-3-2-10123

+ 0,4 В

+0,6 В

+0,8 В

+1,0 В

VDS = +0,2 В

г / м, макс

г / м, макс

VGS — VDirac (V)

Рис.7. g

m

— (V

GS

–V

Dirac

) характеристики. Цвет отличает V

DS

, нанесенный на каждую кривую.

(Для интерпретации ссылок на цвет в легенде этого рисунка читатель отсылается к веб-версии этой статьи

).

122 S. Takabayashi et al. / Алмазы и сопутствующие материалы 22 (2012) 118–123

Последние достижения, проблемы и перспективы на будущее

Сенсоры (Базель).2020 сен; 20 (17): 4811.

Мохаммед Седки

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Калифорния , США; ude.rcu@200eubam

Ин Чен

² Кафедра химической и экологической инженерии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Калифорния , США; ude.rcu@157nehcy

Ашок Мулчандани

² Кафедра химической и экологической инженерии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Калифорния , США; удэ.rcu @ 157nehcy

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Калифорния , США; ude.rcu@200eubam ² Департамент химической и экологической инженерии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Калифорния , США; ude.rcu@157nehcy

^† Равные взносы.

Поступила 12.07.2020; Принято 24 августа 2020 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /). Эту статью цитировали в других статьях в PMC.

Abstract

В последние годы полевые транзисторы (FET) стали очень многообещающими для приложений биосенсоров из-за их высокой чувствительности, применимости в реальном времени, масштабируемости и возможности интеграции измерительной системы на кристалле. Неуглеродные 2D-материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC), гексагональный нитрид бора (h-BN), черный фосфор (BP) и оксиды металлов, представляют собой группу новых материалов, которые имеют огромный потенциал в приложениях биосенсоров на полевых транзисторах.В этой работе мы рассматриваем недавние достижения и замечательные исследования неуглеродных 2D-материалов с точки зрения их структуры, приготовления, свойств и применения биосенсоров на полевых транзисторах. Мы также обсудим проблемы, с которыми сталкиваются неуглеродные 2D-материалы — биосенсоры на полевых транзисторах, и их перспективы на будущее.

Ключевые слова: 2D-материалы, полевой транзистор, дихалькогениды переходных металлов, черный фосфор, фосфорен, гексагональный нитрид бора, оксиды переходных металлов, биосенсоры

1.Введение

Полевые транзисторы (FET) очень многообещающие для приложений биосенсоров из-за их высокой чувствительности, применимости в реальном времени, масштабируемости и возможности интеграции измерительной системы на кристалле. Обычная система полевого транзистора состоит из двух электродов, истока и стока, соединенных материалом полупроводникового канала. Датчик FET реагирует на изменение проводимости материала полупроводникового канала из-за стробирующего эффекта захваченных молекул аналита.Этот эффект стробирования модулирует электрические характеристики полевого транзистора, такие как ток исток-сток. Это изменение характеристик полевого транзистора преобразуется как обнаруживаемое изменение сигнала [1]. Объемные материалы, такие как газочувствительные оксиды металлов и полимерные мембраны, использовались в качестве материалов первого канала в химических датчиках на полевых транзисторах. Однако неблагоприятные электронные свойства и ограниченное взаимодействие между целевыми молекулами и объемными материалами ограничивали их использование, особенно потому, что они иногда требуют определенных рабочих условий, таких как высокая температура для обнаружения газа [2,3,4].

Одномерные (1D) полупроводниковые наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки (CNT), проводящие полимерные нанопроволоки (CPNW) и кремниевые нанопроволоки (SiNW), показали большой успех в качестве материалов каналов в датчиках FET. Высокая чувствительность датчиков 1D-FET объясняется их большой площадью поверхности и высокими коммутирующими характеристиками (ток включения / выключения) УНТ, КТНН и КНН [5,6,7]. Несмотря на применение SiNWs-FET во многих приложениях биосенсоров, их сложно масштабировать или коммерциализировать из-за низкой мобильности носителей SiNW и большого разнообразия от устройства к устройству [8].Даже с превосходными физико-химическими свойствами УНТ, такими как превосходная термическая и химическая стабильность [9], исключительная проводимость [10,11] и возможность легко иммобилизовать биозонды, их применение в сенсорах на полевых транзисторах ограничено. Это можно объяснить трудностью получения чистых полупроводниковых (ых) или металлических (m) УНТ вместо их смеси, что ухудшает электрические характеристики и увеличивает разброс от устройства к устройству [8,12].

Двумерные (2D) полупроводниковые наноматериалы, с другой стороны, обеспечивают более конформный и более прочный контакт с электродами.Их также проще реализовать из-за их относительно больших поперечных размеров, что позволяет лучше контролировать структуру канала полевого транзистора. Более того, двумерные нанолисты могут быть изготовлены с желаемой формой, размером и толщиной и могут быть точно перенесены в обозначенную область подложки сенсора [1]. Графен, наиболее широко используемый 2D-материал, имеет очень большую площадь поверхности примерно 2630 м ² / г [13] и исключительную механическую прочность [14] (прочность на разрыв 130 ГПа и модуль упругости 1000 ГПа).Кроме того, графен имеет сверхвысокую идеальную подвижность носителей заряда 200 000 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ , что дает ему право обладать превосходными электрическими свойствами переноса быстрых электронов [15]. Это повысило внимание к графену как превосходному материалу для полевых транзисторов [16,17,18]. Однако отсутствие у графена собственной запрещенной зоны, приводящее к небольшому току включения / выключения в его полевых транзисторах, ограничивает его чувствительность и применимость в датчиках полевых транзисторов [8].

Признавая все это, были открыты и другие семейства неуглеродных 2D-материалов, которые в настоящее время быстро растут.Аналогично графену, однослойным и многослойным дихалькогенидам переходных металлов (TMDC) (например, MoS ₂ , WS ₂ , MoTe ₂ , MoSe ₂ , WSe ₂ ), гексагональному нитриду бора (h- BN), черный фосфор (BP), оксиды переходных металлов (LaMnO ₃ , LaVO ₃ ), халькогениды переходных металлов (NbSe ₃ , TaSe ₃ ) и слоистые комплексные оксиды [19,20 , 21,22,23]. Кроме того, были введены и изучены другие 2D-материалы, такие как силицен и германен [24].Огромный фонд неуглеродных 2D-материалов охватывает большое количество материалов с огромным разнообразием свойств, от изоляторов до проводников. Более подробную информацию о растущей библиотеке 2D-материалов можно найти в этих ссылках [25,26]. Поэтому исследователи использовали эти материалы во многих приложениях, включая биосенсоры на основе полевых транзисторов. В этой статье мы рассмотрим последние неуглеродные 2D-материалы с точки зрения их структуры, приготовления, свойств и биосенсоров на полевых транзисторах. Мы также обсудим проблемы, с которыми сталкиваются неуглеродные 2D-материалы — биосенсоры на полевых транзисторах, и их перспективы на будущее.

2. Платформа FET: общие характеристики

Биосенсор — это аналитическое устройство, состоящее из преобразователя и биологического рецептора в качестве основных компонентов, которые преобразуют биохимический ответ в электронный сигнал. Устройства на полевых транзисторах широко используются в области электрических биодатчиков из-за их уникальной функции для приложений со слабым сигналом и высоким импедансом [27,28]. В биосенсорах на основе полевых транзисторов терминал затвора и / или диэлектрический слой модифицируются специфическими биорецепторами (антителами, олигонуклеотидами, пептидами, рецепторами, клетками, ферментами, аптамерами и т. Д.)) для захвата желаемых био / химических молекул [28,29,30]. Когда целевые био / химические молекулы связываются с биорецепторами, поверхностные заряды приводят к модуляции электрических характеристик полевых транзисторов.

Самый простой и распространенный способ создания платформы 2D-FET — это использовать конфигурацию с обратным затвором на основе пластины, как показано на. В этой конфигурации необходимо напыление электродов (истока и стока), в то время как объемная пластина может непосредственно действовать как задний затвор [31]. Двумерные материалы можно выращивать или переносить обычными методами на пластину из диэлектрического материала (такого как SiO ₂ ), нанесенного на проводящую подложку (такую ​​как Si), с последующим осаждением металлических электродов истока и стока с помощью процесса микротехнологии.Еще одна широко используемая конфигурация при исследовании биосенсоров 2D-FET — это жидкостно-ионный строб. В отличие от конфигурации с обратным затвором, в которой объемная пластина функционирует как затвор, в этом устройстве (как показано на b) ионная жидкость является затвором. Следовательно, на границе раздела жидкость-канал образуется двойной слой, который также является диэлектриком для экранирования поля [32].

( a ) Схематическое изображение биосенсора на полевых транзисторах с обратным затвором (FET) с каналом восприятия из нескольких слоев дихалькогенида переходного металла (TMDC) [33].Печатается с разрешения ссылки [33]. Авторское право, 2015 г., Американское общество вакуума. ( b ) Принципиальная схема биосенсора на основе полевого транзистора на основе MoS ₂ [34]. Печатается с разрешения ссылки [34]. Авторское право, 2014 г., Американское химическое общество. MoS ₂ может быть заменен другими неуглеродными 2D-материалами, такими как TMDC, черный фосфор (BP) или оксиды металлов, в то время как антитела могут быть заменены другими биорецепторами, такими как олигонуклеотидные зонды, рецепторы, ферменты, клетки или аптамеры.

Чтобы детектировать биомолекулы со специфичностью с помощью платформ 2D-FET, слой полупроводникового канала должен быть функционализирован молекулами биопознавания, специфичными для мишени, с использованием совместимых физико-химических методов [35,36]. Биологические взаимодействия фермент-субстрат, антитело-антиген, комплементарные цепи нуклеиновых кислот и т. Д. Используются в биосенсорах FET для обнаружения биомолекулы-мишени с высокой специфичностью [37]. Когда молекулы-мишени взаимодействуют с молекулами биорецепторов, биологические взаимодействия могут вызывать изменения в окружающей химической среде или химических структурах и составах материалов [38].Эти изменения оказывают немедленное воздействие на накопленные носители заряда на поверхности затвора, преобразуя биохимическое взаимодействие в электрический сигнал в виде измеряемого тока исток-сток. Это принцип типичных биосенсоров на полевых транзисторах.

3. Неуглеродные 2D-материалы

предоставляет обзор различных неуглеродных 2D-материалов, их электронных свойств и свойств устройств, а также биосенсоров на основе полевых транзисторов.

Таблица 1

Обзор литературных отчетов о неуглеродных 2D-биосенсорах на основе полевых транзисторов.

922 9226

2D Материал	2D Толщина [нм]	Подвижности [см 2 V −1 с −1 ]	I on / I off Ratio	Предел обнаружения / диапазон	Время отклика	Ссылка
MoS 2	—	1,98 × 10 3	7,12 × 10 2	7,12 × 10 2 .03 фМ	40 мин	[39]
WSe 2	—	—	> 10 5	Глюкоза	1,0–10 мМ	[	]
MoS 2	0,7	—	3,6–3,8	Канамицин	1,06–0,66 нМ	20 мин	[41]
[41]
[41]	—	IgG	от 10 до 500 нг / мл	в секундах	[42]
Фосфорен	—	—	—	Альфа-	Альфа-	Фетопротеин 9017.1 часть на миллиард — 1 часть на миллион	—	[43]
BP	30–50	468	1200	—	—	—	[44]
1,4–2,8	1100	—	Бычий сывороточный альбумин	250 мкг / мл – 25 мг / мл	<10 с	[45]
In 2 O	4	19	—	Глюкоза	10 −11 –10 −5 M	—	[46]
In 2 99035	20	> 10 7	Глюкоза	0,1–0,6 мМ	—	[47]

3.1. Материалы 2D TMDC

3.1.1. Структура, получение и свойства

TMDC представляют собой группу слоистых материалов с общей формулой MX ₂ , где M представляет собой переходный металл из групп IV, V или VI (Ti, Zr, Hf; V, Nb, Ta; Ct, Mo или W), а X — атом халькогена (S, Se или Te). Каждый слой TMDC состоит из трех плоскостей: халькогена, переходного металла и халькогена.TMDC существуют в различной координации, где каждый атом переходного металла координирован с шестью атомами халькогена либо в октаэдре, либо в треугольной призме [19,48]. Тип координации металлов, предпочитаемый этими материалами, сильно зависит от природы связи, образованной между атомами металла и халькогена. По существу, октаэдрической координации благоприятствуют переходные металлы группы IV, так как они образуют сильные ионные соединения, которые имеют кулоновские силы отталкивания между слоями. С другой стороны, переходные элементы группы VI образуют более ковалентные связи и координируются в треугольной призме [49,50].Тем не менее, переходные элементы группы V могут стабилизироваться в структурах октаэдра и треугольной призмы из-за их умеренной ионности [48].

TMDC могут быть найдены в одном из трех наборов или политипов; Укладка типа 1T, которая преобладает в объемных кристаллах в октаэдрической координации, 2H- и 3R-типа, которые обнаруживаются с треугольной призматической координацией. Более того, стабильной фазой материала MX ₂ при атмосферном давлении и температуре является фаза 2H с шестью атомами на элементарную ячейку; два атома металла и четыре халькогенида, хотя фаза 1T может быть получена облучением электронным пучком или интеркаляцией лития [51,52].Также стоит упомянуть, что TMDC могут подвергаться димеризации атомов металла, которая вызывает движение атомов халькогена в направлении, отличном от плоскости, и приводит к искажению фазы 1T в структуру 1T ’. Это можно описать также с помощью преобразования симметрии из 3- в 2-кратное, с изменением пространственной группы с (P3m1) в 1T на (P2 ₁ / m) в 1T ’[53].

TMDC могут быть получены различными методами, которые можно разделить на два основных подхода; сверху вниз, когда объемные кристаллы расслаиваются на моно- / несколько слоев TMDC, и снизу вверх, когда тонкий слой материала построен из атомов предшественников [54].Основываясь на этих двух подходах, существует несколько техник / методов, используемых для получения высококачественных тонкослойных TMDC, включая жидкофазное расслоение [55], механическое расслоение [56], химическое расслоение [57,58], электрохимическое осаждение и химическое отшелушивание из паровой фазы. осаждение (CVD) [25,59]. Благодаря своей способности готовить высококачественные большие слои TMDC с контролируемым количеством слоев и размером домена, CVD является очень многообещающим среди всех вышеупомянутых методов. В этих методах есть много деталей и постоянный прогресс, особенно в методах, основанных на сердечно-сосудистых заболеваниях, и для этого мы рекомендуем прочитать работу You et al.[60] и Zhang et al. [61].

TMDC-материалы демонстрируют широкий диапазон электрических свойств в зависимости от типа фазы и количества d-электронов, таких как металлические (например, NbS ₂ , VSe ₂ ) [62,63], полуметаллические ( например, WTe ₂ , TiSe ₂ ) [64,65], полупроводники (например, MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ , WSe ₂ ) [66,67,68], и изоляторы (например, HfS ₂ ) [69]. Первым полупроводником, который привлек внимание среди TMDC, стал MoS ₂ , который демонстрирует высокое отношение тока включения / выключения [70], что дает ему право быть хорошим кандидатом для приложений на полевых транзисторах [71].За исключением нескольких случаев GaSe и ReS ₂ , большинство TMDC, таких как MoS ₂ (1,8 эВ), WS ₂ (2,1 эВ) и WSe ₂ (1,7 эВ), имеют непрямую запрещенную зону. с меньшими энергиями в объемной форме и большей прямой запрещенной зоной в монослое [72,73]. Тем не менее, большинство TMDC, такие как MoS ₂ и WSe ₂ , не имеют оборванных связей и, следовательно, создают более идеальные переходы Шоттки, чем объемные полупроводники. Это, в свою очередь, препятствует переносу заряда на границе с объемными металлами, создавая центры пиннинга энергии Ферми и рекомбинации [74].Однако некоторые из них демонстрируют высокую подвижность в зависимости от металлических контактов, выбора подходящей подложки, границ зерен и т. Д. MoS ₂ обеспечивает подвижность 33–151 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ на подложке BN / Si при комнатной температуре и 700 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ на подложке SiO ₂ / Si со скандиевым контактом [75,76]. Кроме того, химически полученная фаза 1T MoS ₂ в 10 ⁷ раз более проводящая, чем ее полупроводниковая фаза 2H.С другой стороны, дихалькогениды Ti, Ni, V, Cr, Zn, Nb по существу проявляют металлическое поведение [77]. Для полевого транзистора требуется, чтобы материал канала был полупроводником, как обсуждалось в разделе 2, поэтому полупроводниковые TMDC являются хорошими кандидатами для полевого транзистора. С другой стороны, полуметаллические и металлические TMDC не являются хорошими канальными материалами для полевых транзисторов и лучше подходят для электрохимических датчиков.

Превосходство TMDC над графеном. Графен обладает интересными свойствами, которые привлекли огромное внимание с момента его открытия в 2004 году.Однако графен не имеет собственной запрещенной зоны, что ограничивает его использование в электронной промышленности. С другой стороны, TMDC имеют регулируемую ширину запрещенной зоны, которая контролирует ток с высоким отношением включения / выключения, и, следовательно, они служат хорошими материалами для транзисторных приложений. Например, MoS ₂ демонстрирует прямую ширину запрещенной зоны (≈1,8 эВ), большое оптическое поглощение в монослое (≈10 ⁷ м ⁻¹ в видимом диапазоне) и высокий коэффициент включения / выключения тока ≈10 ⁷ –10 ⁸ .Соответственно, он широко применяется в электронике и оптоэлектронике [78,79].

3.1.2. TMDCs-FET Биосенсоры

Датчики на основе полевых транзисторов представляют собой электрические системы, которые зависят от изменений электропроводности материалов полупроводникового канала при стимуляции целевыми молекулами. Следовательно, полупроводниковые TMDC, такие как MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ и WSe ₂ , являются целевыми материалами среди всех других TMDC для датчиков на полевых транзисторах.Полупроводниковые датчики на основе полевых транзисторов на основе TMDC, особенно полевые транзисторы MoS ₂ , имеют ряд преимуществ по сравнению с другими материалами, такие как низкий ток утечки, низкое энергопотребление и высокое соотношение включения / выключения тока, обеспечивающее высокую чувствительность [80,81]. Более того, благодаря своим превосходным вышеупомянутым электронным свойствам и механической гибкости, а также их ультратонкой структуре, датчики MoS ₂ -FET являются многообещающими для экономичной портативной и носимой электроники с низким энергопотреблением [62,82]. Мы обсудим некоторые из зарегистрированных биосенсоров TMDC-FET для обнаружения различных мишеней, таких как ДНК, глюкоза, белок и антибиотики.

Mei et al. [83] сообщили об обнаружении ДНК посредством гибридизации с фосфородиамидат-морфолино-олигонуклеотидами (PMO) в качестве сверхчувствительного безметочного биосенсора MoS ₂ -FET. Как показано на i, изготовление сенсора проводилось вытягиванием золотых электродов с использованием фотолитографии и испарения электронным пучком с последующей обработкой 3-аминопропилтриэтоксисиланом (APTES) для покрытия поверхности SiO ₂ / Si положительными зарядами. Отрицательно заряженные нанолисты MoS ₂ были брошены на положительно заряженную поверхность канала и связаны с ней посредством электростатического притяжения.Затем поверхность MoS ₂ была модифицирована аналогом ДНК, PMO, с использованием сукцинимидилового эфира 1-пиренбутановой кислоты (PASE). Приготовленный биосенсор PMO-MoS ₂ -FET показал низкий предел обнаружения (LOD) ДНК 6 фМ, что ниже, чем у других ранее описанных ДНК-биосенсоров MoS ₂ FET на основе ДНК-ДНК-гибридизации. Это можно объяснить высокой чувствительностью датчика MoS ₂ -FET и успешной и избирательной гибридизацией с PMO. Более того, эта сенсорная система показала применимость при обнаружении ДНК в сыворотке крови.Изменение сигнала регистрировали по изменению тока устройства из-за стимуляции целевой ДНК, как показано на характеристической кривой полевого транзистора в ii и калибровочной кривой в iii. Тем не менее, эта система все еще требует дополнительной работы для контроля воспроизводимости, и авторы этой работы планируют провести ее в будущем. Другие датчики MoS ₂ -FET были представлены для обнаружения ДНК, например, работа Ли и др., В которой был достигнут уровень детализации 10 фМ [84]. Кроме того, в более ранней работе Loan et al.использовали гетероструктуру MoS ₂ / графен для обнаружения гибридизации ДНК на биосенсоре FET, и они смогли достичь очень низкого LOD в аттомолярном диапазоне [85].

( i ) Схема приготовления биосенсора MoS ₂ FET для обнаружения ДНК; SiO ₂ / Si подложка с металлическими контактами ( a ), функционализация подложки APTES ( b ), загрузка MoS ₂ ( c ), функционализация PMO на поверхности MoS ₂ с использованием линкера PASE ( d ) экспонировали пассивирование / блокирование поверхности с использованием EA ( e ) и захват ДНК-мишени с помощью датчика ( f ).( ii ) Характеристики переноса FET комплементарного ДНК-гибридизированного фосфородиамидат-морфолино-олигонуклеотида (PMO) -функционализированного MoS ₂ FET-устройства в ряде концентраций. ( iii ) Калибровочная / рабочая кривая MoS ₂ FET при различных концентрациях ДНК. Перепечатано из ссылки [83], Copyright (2018), с разрешения Elsevier.

Majd et al. [39] разработали биосенсор MoS ₂ -FET для безметочного обнаружения биомаркера рака молочной железы, miRNA-155, в клеточных линиях и сыворотке человека.Хлопья MoS ₂ в качестве материала для определения канала, использованного в данной работе, были приготовлены с использованием метода последовательной замены растворителя и брошены на поверхность полевого транзистора. Обнаружение основано на прямой гибридизации между иммобилизованным зондом miRNA-155 и целевой miRNA-155. Подготовленное устройство показало очень высокую подвижность носителей: 1,98 × 10 ³ см ² V ⁻¹ с ⁻¹ (это число намного выше ожидаемых подвижностей MoS ₂ , но именно это авторы утверждали), и довольно низкое подпороговое колебание 48.10 мВ / декада. Соотношение I _на / I _off (7,12 × 10 ² ), представленное в этой работе, мало по сравнению с другими отчетами (в основном 10 ⁵ –10 ⁷ ). Что касается обнаружения миРНК, приготовленное устройство достигло LOD 0,03 фМ в динамическом диапазоне от 0,1 фМ до 10 нМ. В качестве теста на селективность сенсорная система не показала какого-либо значимого ответа на miRNA с одним несоответствием оснований. Наконец, эта сенсорная система оказалась успешной в определении биомаркера рака молочной железы человека miRNA-155 в образцах сыворотки, что повышает ее клиническую применимость.

Shan et al. [86] сообщили о двухслойном MoS ₂ -FET в качестве биосенсора глюкозы, обладающего такими преимуществами, как высокая стабильность, высокая чувствительность и быстрый отклик. Выходные электрические характеристики введенного устройства были записаны в отсутствие глюкозы. Влияние потенциала затвора (В _g ) (от −40 до 40 В, с шагом 5 В) на ток истока-стока устройства (I _sd ) в напряжении исток-сток (В _sd ) в диапазоне от -0,5 до 0,5 В, как показано на рис.I _SD увеличился с увеличением положительного потенциала затвора. Кроме того, характеристическая кривая полевого транзистора (I _sd -V _g ) демонстрирует поведение n-типа устройства с I _на / I _off было обнаружено 10 ⁶ , а подвижность носителей была найдена как 33,5 см ² V ⁻¹ s ⁻¹ , как показано на рисунке b, что объясняет высокую чувствительность этой сенсорной системы. Представленная система показала LOD 300 нМ и чувствительность 260.75 мА / мМ. Ток (I _sd ) был прямо пропорционален концентрации глюкозы при постоянных V _g и V _sd (c, d). Это увеличение тока может быть связано с n-легированием полупроводника n-типа MoS ₂ электронами, возникающими в результате окисления глюкозы. Более того, определение неизвестной концентрации глюкозы было достигнуто с помощью калибровочной кривой, построенной между I _sd и концентрацией глюкозы. Есть еще одна интересная работа, представленная Lee et al.[40] о биосенсоре глюкозы, использующем полевой транзисторный биосенсор на основе диселенида вольфрама (WSe ₂ ) (WSe ₂ BioFET), использующий ту же концепцию, что описана выше.

Графики основных электрических характеристик устройства. ( a ) Влияние потенциала затвора (V _g ) (от -40 до 40 В с шагом 5 В) на ток истока-стока устройства (I _sd ) в напряжении исток-сток ( V _sd ) от -05 до 0,5 В. ( b ) Характеристическая кривая (I _sd -V _g ) полевого транзистора MoS ₂ -FET, показывающая поведение устройства n-типа.( c , d ) Увеличение I _sd с увеличением концентрации целевых молекул. Перепечатано с некоторыми изменениями из [86].

В качестве примера биосенсоров TMDC-FET для обнаружения антибиотиков Chen et al. [41] разработали биосенсор aptamer-MoS ₂ -FET для обнаружения канамицина (KAN). Применение аптамера (APT) в качестве элемента селективного биораспознавания антибиотиков является многообещающим, однако его селективность в отношении антибиотиков все еще остается проблематичной из-за широкого сворачивания APT и структурного сходства среди антибиотиков.Авторы реализовали MoS ₂ в качестве сенсорного материала, а APT и комплементарную цепь ДНК (CS) в качестве распознающих элементов KAN. Эта структура (CS-APT) элементов распознавания в предлагаемом биосенсоре CS-APT-MoS ₂ -FET улучшила селективность и надежность этой сенсорной системы и уменьшила вариации от устройства к устройству. Наночастицы золота (AuNP) использовали в качестве линкера ДНК. Устройство показало омический контакт и поведение p-типа, как показано на a, b. Ожидается, что MoS ₂ будет n-типа; однако в этой и других работах он является p-типом из-за включения кислорода в процессах синтеза и изготовления [87].Механизм восприятия основан на реакции замещения, в которой KAN связывается с APT и вытесняет CS из системы CS / APT / MoS ₂ -FET (c). В этом исследовании были использованы два контрольных эксперимента с MoS ₂ -FET и APT / MoS ₂ -FET для лучшего понимания механизма восприятия. В случае MoS ₂ -FET не было изменения тока устройства с добавлением KAN. В случае APT / MoS ₂ -FET добавление KAN привело к прямому увеличению тока из-за образования более центрированной структуры с более высокой концентрацией отрицательных зарядов, которые стимулируют положительные заряды MoS _{p-типа. 2} и увеличивающийся ток.В основном эксперименте с использованием CS / APT / MoS ₂ -FET добавление KAN приводило к медленному уменьшению тока из-за времени, необходимого KAN для вытеснения CS, и механизм трудно определить, но авторы связывают это с уменьшением отрицательных зарядов в целом. d представляет результаты обнаружения KAN. LOD, который был относительно зависимым от времени, составлял 1,06–0,66 нМ с высокой селективностью KAN (коэффициент селективности 12,8) по сравнению с другими антибиотиками, такими как амоксициллин, тобрамицин, стрептомицин и хлорамфеникол.

( a ) I _SD -V _SD Кривая, показывающая омический контакт устройства. ( b ) Характеристики полевого транзистора устройства. ( c ) Предлагаемый механизм замены канамицина (KAN) CS. ( d ) Сенсорная система с контрольными экспериментами реагирует на KAN при различных концентрациях. Перепечатано из ссылки [41], Copyright (2019), с разрешения Elsevier.

3.2. Черный фосфор / фосфорен

3.2.1. Структура, синтез и свойства

Черный фосфор представляет собой слоистый двухмерный материал Ван-дер-Ваальса.Это наиболее стабильное аллотропное вещество из семейства фосфора. Его изолированный однослойный слой, широко известный как фосфорен, привлек огромное внимание. Структура фосфора представляет собой ромбическую решетку, а атомы фосфора ковалентно связаны, образуя гофрированную сотовую структуру (как показано на рисунке а) [88]. Ширина запрещенной зоны, которая находится в диапазоне от 0,3 эВ (для объемного черного фосфора) до 2,0 эВ (для однослойного фосфора), является прямой и зависит от толщины. Подвижность носителей заряда достаточно велика с высокой подвижностью дырок до 1000 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ , которая также зависит от толщины (сообщается о толщине менее 10 нм) [89,90] .

( a ) Структура фосфора (вид сбоку и сверху) [91]. ( b ) Принципиальная схема процесса отшелушивания с помощью металла для многослойного черного фосфора [92]. Печатается с разрешения ссылки [92]. Авторское право 2018, Королевское химическое общество. ( c ) Принципиальная схема процесса жидкофазного эксфолиации (базовый N-метил-2-пирролидон (NMP) -эксфолиант) фосфорена [93]. Печатается с разрешения ссылки [93]. Авторское право 2015, WILEY-VCH Verlag GmbH and Co.KGaA, Вайнхайм.

Механическое и жидкофазное отшелушивание — два наиболее распространенных метода отшелушивания слоистого фосфора от объемного фосфора [94,95]. Механическое отшелушивание с помощью скотча для отделения нанофластов от объемных кристаллов легко выполняется и может дать высококачественные хлопья черного фосфора / фосфора с низкой стоимостью, что делает его идеальным для фундаментальных исследований. С другой стороны, очевидны и его отрицательные стороны, например, размер слишком мал для большей части расслоенного фосфора, процесс трудоемкий и требует много времени, а производительность крайне низка [95].Еще один недостаток состоит в том, что механически расслоенный фосфор испытывает значительные необратимые деформации в условиях окружающей среды и неудобен для длительного хранения. Помня об этих проблемах, исследователи пытаются найти способы улучшить традиционное механическое отшелушивание. Guan et al. [92] представили метод отшелушивания с использованием металла для получения фосфена большого размера. Сначала на подложку наносили слой золота (или слой серебра) толщиной 10 нм с последующим обычным механическим отслаиванием (b).Затем металлический слой протравливался раствором. Получали многослойный фосфор с поперечным размером 50 мкм. Электронные свойства полевого транзистора доказали высокое качество фосфорена в заводском исполнении, который показал подвижность дырок 68,6 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ и соотношение I _на / I _{при соотношении} 200000 . Кроме того, сообщалось о субстрате на основе поли (диметилсилоксана) (ПДМС) и полусферическом штампе из ПДМС, способствующих быстрому отслаиванию и переносу нанолистов из фосфорена [96].Кроме того, также сообщалось о процессах разжижения в плазме Ar ⁺ после регулярного механического отшелушивания для получения контролируемого и гомогенного монослойного фосфора [97].

Жидкофазное отшелушивание — еще один распространенный метод получения фосфорена. Диметилформамид (ДМФ), диметилсульфоксид (ДМСО), изопропанол (IPA), N-метил-2-пирролидон (NMP) и этанол являются обычными растворителями для отшелушивания черного фосфора [98,99]. При участии растворителя предотвращалось разложение фосфора на воздухе и повышалась его устойчивость к расслаиванию.Фосфор, образующийся в жидкой фазе, можно хранить в течение длительного времени и разделять центрифугированием для достижения регулируемых размеров. c иллюстрирует основной процесс жидкофазного отшелушивания в растворителе NMP. Объемный черный фосфор был помещен в растворитель с последующей четырехчасовой обработкой ультразвуком, которая разрушила слабое взаимодействие между сложенными листами [93,95]. После ультразвуковой обработки фосфорен в NMP отделяли центрифугированием. Другие методы, такие как электрохимическое отшелушивание [100], химическая транспортная реакция [94], сольвотермический метод [101], также применимы для отшелушивания.Хотя во многих публикациях сообщается об успешном расслоении фосфора, предстоит еще много работы, прежде чем станет возможным массовое производство высококачественного фосфора.

3.2.2. Биосенсоры на основе черного фосфора / фосфора на полевых транзисторах

Были проведены исследования на основе черного фосфора и фосфена, связанные с биологическими приложениями, такими как биомедицина и биосенсор [87]. По сравнению с исчерпывающей литературой по биомедицине, исследований по фосфореновым биосенсорам гораздо меньше.Chen et al. [42] сообщили о биосенсоре на основе полевого транзистора с нанолистом из нескольких слоев BP, который служит в качестве материалов каналов, пассивированных слоем Al ₂ O ₃ для обнаружения человеческого иммуноглобулина G (HIgG). Наночастицы золота были нанесены на поверхность для иммобилизации молекул биораспознавания анти-HIgG (). Основные электрические свойства устройства показали, что это устройство на основе природного черного фосфора p-типа. Чтобы проверить динамический отклик сенсора в заводском состоянии, были протестированы различные концентрации антигенов HIgG от 10 нг / мл до 500 нг / мл.Когда молекулы HIgG адсорбируются на поверхность биосенсора, ток исток – сток увеличивается с добавлением отрицательного стробирующего эффекта. Сообщалось о быстром ответе порядка секунд с уровнем детализации 10 нг / мл. Датчик показал хорошую селективность в отношении целевого антигена по сравнению с неспецифическим белком авидином (). Kim et al. [43] успешно изготовили многослойный биосенсор на основе черного фосфора для обнаружения альфа-фетопротеина (AFP), который был назван «самым надежным онкомаркером для диагностики гепатоцеллюлярной карциномы».Процесс функционализации поверхности проводили с линкером поли-L-лизина для иммобилизации антител против AFP. При специфическом связывании антигенов AFP и антител результаты обнаружения различных концентраций антигена AFP (от 1 ppm до 0,1 ppb) показали линейную зависимость между током и концентрацией с высокой чувствительностью. Воспользовавшись тем фактом, что фосфор является вторым по численности минералом в организме человека (1% массы тела), и биосовместимостью продуктов биоразложения BP, Song et al.[44] разработали BP-FET, который сохранял свою высокую подвижность и отношение двухпозиционного тока в жидкости организма в течение ~ 36 часов до полного растворения. Такое устройство на полевых транзисторах может открыть новый путь для временных биосовместимых биосенсоров.

( a ) Схема биосенсора черного фосфора для HIgG и ( b ) график чувствительности как функции концентрации антигена-мишени и нецелевого антигена [42]. Печатается с разрешения ссылки [42]. Авторские права 2016, Elsevier B.V.

3.3. Оксиды металлов

3.3.1. Препараты и свойства

Оксиды металлов относятся к наиболее разнообразным классам твердых веществ. Их можно разделить на слоистые и неслоистые. Примеры первых включают MoO ₃ , WO ₃ , Ga ₂ O ₃ и TaO ₃ , в то время как ZnO, SnO ₂ , In ₂ O ₃ и CuO являются примерами последний [102]. Из-за их специфической структуры и электрических характеристик оксиды металлов рассматривались как кандидаты на расширение библиотеки 2D-материалов для транзисторов с большой шириной запрещенной зоны (2.3–4,9 эВ) и высокой подвижности электронов (> 10 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ ), которые гарантируют высокую чувствительность и отношение сигнал / шум при биосенсоре. Более того, полевые транзисторы из этих материалов могут обрабатываться при умеренных температурах из растворов, что облегчает осаждение в больших масштабах с экономической точки зрения, а проводимость регулируется путем изменения размера кристаллов, морфологии, примеси, геометрии контактов и температуры работы [46, 102, 103]. Оксиды металлов до настоящего времени применялись в качестве электрохимических и фотоэлектрохимических преобразователей для био / химического зондирования [30,103,104,105,106] и преобразователей на полевых транзисторах для зондирования газов [107,108].Как упоминалось ранее, газовые датчики оксидов металлов на полевых транзисторах обычно работают при высоких температурах, что приводит к более высоким потребностям в энергии и проблемам с надежностью и безопасностью. С другой стороны, из-за того, что на базальных поверхностях заканчиваются атомы кислорода, эти материалы более устойчивы в воздухе и воде [102]. Как и в случае с другими двумерными наноматериалами, восходящие и нисходящие подходы используются для синтеза многих двумерных металлооксидных материалов, используемых в биосенсорах на полевых транзисторах. Большинство оксидов металлов синтезируется гидротермальными или сольвотермическими методами, поскольку эти методы являются простыми, масштабируемыми, низкотемпературными и дешевыми [109].Обычно определенные предшественники оксидов металлов, такие как нитраты, хлориды и сульфаты металлов, растворяются в воде или органическом растворителе и вступают в реакцию от 3 до 12 часов или даже в течение нескольких дней при 75–200 ° C [110]. Оксиды металлов, полученные этими методами, демонстрируют различные архитектуры и морфологии, такие как нанопроволоки, наностены, нано-леса, нано-хлопья, структуры, похожие на цветы и древовидные структуры. [111]. Двумерные хлопья или пленки могут не только включать в себя слои нано-чешуек, но и агрегированные нано-хлопья без порядка.Также были реализованы различные формы методов эксфолиации для получения двумерных слоев оксидов металлов для применения в биосенсорах с полевыми транзисторами [45, 112]. Методы отшелушивания ограничиваются слоистыми оксидами металлов.

3.3.2. Металлооксидные биосенсоры на полевых транзисторах

Двумерные оксиды металлов находят широкое применение в качестве оптических, электронных и чувствительных полупроводников. По сравнению с большим количеством описанных одномерных биосенсоров на основе оксидов металлов на полевых транзисторах [113,114], двумерные биосенсоры на основе оксидов металлов на полевых транзисторах все еще занимают большое место в приложениях биосенсоров на полевых транзисторах.Здесь мы кратко представляем несколько биосенсоров FET на основе оксидов металлов. При рассмотрении различных оксидов металлов, In ₂ O ₃ дал много биосенсоров на полевых транзисторах с хорошими характеристиками. Chen et al. [46] представили полевой транзистор на основе 2D In ₂ O ₃ , который обеспечивает специфическое определение глюкозы с чрезвычайно низким пределом обнаружения (<7 фМ) и демонстрирует высокую чувствительность. Бороновая кислота и глюкоза, соответственно, действовали как рецепторные и целевые молекулы (а). Передаточные кривые в 0.1 M буферный раствор показал четкое омическое поведение при низком напряжении смещения, и все кривые I-V показали напряжение включения -0,316 В с отношением I _на / I _от , равным 10 ⁴ . Ответ биосенсора был линейно связан с концентрацией глюкозы в широком динамическом диапазоне от 10 ⁻¹¹ до 10 ⁻⁵ M, как показано на a. Характеристики устройства, как в отношении динамического диапазона, так и предела обнаружения, этого датчика превосходили другие неферментативные датчики глюкозы с полевым транзистором, использующие бороновую кислоту в качестве молекулы распознавания в сочетании с углеродными нанотрубками, графеном или восстановленным оксидом графена в качестве полупроводникового канала.

Схема In ₂ O ₃ Биосенсоры на полевых транзисторах. ( a ) Иллюстрация принципа определения глюкозы на функционализированной бороновой кислотой поверхности и реакции на различные концентрации глюкозы [46]. Печатается с разрешения ссылки [46]. Авторское право 2017 г., Американское химическое общество. ( b ) Иллюстрация ощущения D-глюкозы с помощью глюкозооксидазы для производства глюконовой кислоты и перекиси водорода (слева) и реакции на физиологически релевантные концентрации D-глюкозы (справа) (на вставке показаны данные с пяти устройств) [47].Печатается с разрешения ссылки [47]. Авторское право 2015 г., Американское химическое общество. Механизм переориентации аптамерной мишени внутри или вблизи дебаевской длины полупроводниковых каналов. ( c ) Аптамеры переориентируются ближе (например, дофамин, глюкоза), чтобы уменьшить трансдуктивность (слева). Кривые переноса глюкозных аптамеров-полевых транзисторов показали снижение токов исток-сток (справа), ( d ) Аптамеры переориентируются от полупроводниковых каналов (например, серотонин, S1P) для увеличения крутизны (слева).Кривые переноса аптамер S1P – FET кривые переноса увеличивались в ответ на целевые концентрации (справа). Перепечатано с некоторыми изменениями из [115]. Печатается с разрешения ссылки [115]. Авторское право 2018, Наука.

Группа Tseng из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) [47] продемонстрировала биосенсор на основе полевого транзистора на основе In ₂ O ₃ с ультратонкой полиимидной (PI) пленкой в ​​качестве подложки для конформной биоэлектроники. Ферментативное окисление D-глюкозы глюкозооксидазой применяли для специфического обнаружения только D-глюкозы, а не L-глюкозы с низким управляющим напряжением.Отношение подвижности and and I _на / I _off для биосенсора с полевым транзистором на основе In ₂ O ₃ составляло 20 см ² V ⁻¹ s ⁻¹ и более 10 ⁷ соответственно. Датчик обнаруживал физиологически релевантные концентрации D-глюкозы (b). Механизм восприятия глюкозы был основан на протонировании поверхности In ₂ O ₃ глюконовой кислотой, образующейся в процессе окисления D-глюкозы, катализируемого глюкозооксидазой.Сообщаемый биосенсор может применяться в носимых неинвазивных технологиях мониторинга здоровья, таких как уровень глюкозы в слезах.

Высокочувствительный In ₂ O ₃ -биосенсоры на основе FET с ДНК-аптамерами для обнаружения малых электронейтральных молекул, таких как дофамин, глюкоза, серотонин и сфингозин-1-фосфат (S1P) в неразбавленных физиологических жидкостях с высоким содержанием -ионная сила была сообщена группой Вейсса из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе [115]. Аптамеры ДНК для целевых соединений были отобраны путем систематической эволюции лигандов в фазе раствора путем экспоненциального обогащения (SELEX) и иммобилизованы на полупроводниковом канале восприятия In ₂ O ₃ .Механизм считывания представлял собой модуляцию проводимости затвора устройства в результате индуцированного мишенью изменения подтверждения наличия отрицательно заряженных фосфодиэфирных скелетов иммобилизованных аптамеров. Например, когда глюкозный аптамер-FET подвергался действию глюкозы, заряженные скелеты аптамеров перемещались ближе к полупроводниковому каналу, вызывая увеличение электростатического отталкивания и снижение крутизны устройства (c). С другой стороны, аптамеры S1P отодвигались от поверхности канала, когда целевой S1P был захвачен аптамерами, что приводило к увеличению крутизны устройства (d).Интеграция высокочувствительного полевого транзистора на основе In ₂ O ₃ и специфического рецептора типа стержень-петля преодолела ограничения традиционных биосенсоров полевых транзисторов при обнаружении молекул / мишеней в растворах с высокой ионной силой из-за экранирования, создаваемого двойным электрическим слоем, т. Е. , Длина Дебая и / или небольшие молекулы без зарядов или с небольшими зарядами.

Balendhran et al. [45] сообщили о методе жидкой эксфолиации для получения 2D наночешек α-MoO ₃ с поперечными размерами в диапазоне 50–150 нм.Затем канал электронной проводимости MoO ₃ был отлит на грубую подложку из оксида алюминия, чтобы получить биосенсор FET для обнаружения бычьего сывороточного альбумина. Платформа показала быстрое время отклика менее 10 с и LOD 250 мкг / мл. Поскольку все больше внимания уделяется двухмерным металлооксидным материалам, они откроют большие возможности для обнаружения биомолекул.

3.4. h-BN

Гексагональный нитрид бора имеет химическую структуру, аналогичную графену, и имеет стехиометрию 1: 1 для B и N.С помощью ковалентной связи B-N локализованное электронное состояние обеспечивает h-BN с большой шириной запрещенной зоны от 5 до 6 эВ и тем самым превосходными электроизоляционными свойствами [116]. Как и большинство 2D-материалов, однослойный или многослойный h-BN может быть получен путем расслоения из объемных кристаллов нитрида бора или методом CVD [117]. Превосходные электроизоляционные свойства делают 2D h-BN идеальной альтернативой диэлектрику для слоистых двухмерных гетероструктур на основе материалов и недавно продемонстрировали значительные улучшения в мобильности каналов [118,119].Дин и др. [120] изготовили и охарактеризовали устройства с графеном на подложках h-BN. Нанолисты h-BN были получены из массивного монокристалла h-BN путем расслоения. Его одноатомная структура способствовала гладкой поверхности и уменьшению шероховатости по сравнению с SiO ₂ . Затем графен был перенесен с помощью типичного метода на основе полиметилметакрилата (ПММА) для создания гетероструктур графен / h-BN. Результаты измерения электронного переноса показали превосходную холловую подвижность однослойного графенового устройства (140 000 см ² V ^-1 с ^-1 ), которая может сравниться с устройствами, поддерживаемыми SiO ₂ .В другом отчете Joo et al. [121] было обнаружено, что устройство с гетероструктурой из 2D MoS ₂ на подложке h-BN имеет гораздо более высокий эффект легирования n-типа по сравнению с MoS ₂ непосредственно на подложке SiO ₂ / Si. Это было связано с тем, что слой h-BN способствует снижению p-легирования кислородом SiO ₂ , тем самым снижая высоту барьера Шоттки в гетероструктуре MoS ₂ / hBN. Аналогичным образом, о гетероструктуре h-BN / MoS ₂ / h-BN сообщили Saito et al. [122] тоже.Когда определение проводимости проводилось в линейной области, гистерезис был достаточно мал, чтобы им можно было пренебречь. Между тем, в нелинейном режиме гистерезисное поведение может быть обнаружено в темноте. Они также сообщили о влиянии освещения на истерическое поведение. Когда характеристики проводимости работали при освещении, истерическое поведение в нелинейной области исчезало. Приведенные выше результаты, хотя они не представляют конкретных примеров применения биосенсоров на основе h-BN, обеспечивают иллюстрацию возможностей гетероструктур h-BN с другими 2D-материалами при создании биосенсоров со сверхвысокой чувствительностью.

4. Резюме, проблемы и перспективы на будущее

Биосенсоры на полевых транзисторах очень перспективны для клинического применения в качестве инструментов ранней диагностики из-за их высокой чувствительности, быстрого реагирования, работы с низким энергопотреблением, рабочей среды без этикеток и возможности коммерциализации. Полупроводниковый канал наноматериалов играет решающее значение в процессе восприятия, и наряду с элементом распознавания они определяют чувствительные характеристики биосенсора на полевых транзисторах. Графен оказался успешным в качестве материала каналов благодаря своей двумерной слоистой структуре, большой площади поверхности и очень высокой подвижности носителей заряда.Однако этот успех ограничен, поскольку графен не имеет собственной запрещенной зоны, т.е. полуметаллический, что снижает его коэффициент переключения по току (соотношение I _на / I _off составляет 1 к 2) и, в своей роли, снижает чувствительность. соответствующих биосенсоров графен-полевых транзисторов. О других материалах, таких как SiNWs и CNT, сообщалось как о многообещающих материалах для чувствительных каналов на полевых транзисторах в огромном количестве исследований, однако они страдают от трудностей в достижении высокой воспроизводимости, как обсуждалось во введении к этой статье.

Учитывая все это, неуглеродные 2D-материалы, в том числе TMDC, BP, 2D-оксиды металлов, h-BN и другие, представляют собой новых кандидатов. схематическая диаграмма, суммирующая различные типы неуглеродных 2D-материалов, используемых в биосенсорах на полевых транзисторах, и подчеркивающая их преимущества, недостатки и перспективы на будущее. Полупроводниковые TMDC являются наиболее многообещающими из-за их 2D-слоистой структуры, относительно высокой стабильности, большой площади поверхности и достаточно высокого коэффициента переключения тока 10 ³ –10 ⁷ , что увеличивает чувствительность соответствующего датчика TMDC-FET и обеспечивает гораздо более низкий предел обнаружения.Многослойный БП — еще один новый многообещающий материал для биосенсоров на полевых транзисторах, поскольку он имеет более высокую подвижность носителей заряда по сравнению с ТМДК и более высокую проводимость с меньшей шириной запрещенной зоны. БП имеет более низкий барьер Шоттки из-за лучшего согласования волновой функции с металлическими контактами. Биосенсоры на основе неуглеродных полевых транзисторов для обнаружения нуклеиновых кислот, белков, биомаркеров рака, глюкозы и других успешно применялись в лабораторных условиях. Однако для достижения клинических применений все еще требуются большие усилия.Основные проблемы заключаются в достижении стабильности и воспроизводимости этих 2D-полевых транзисторов, а также в методах изготовления материалов и устройств. CVD — многообещающий метод синтеза TMDC, но он не обладает высокой воспроизводимостью от партии к партии и приводит к вариациям от устройства к устройству. Отклонение может быть связано с изменениями размера зерна, уровня дефектов, целостности пленки и т. Д. Более того, перенос материалов, синтезированных методом химического осаждения из паровой фазы, на желаемую подложку для создания датчика на полевых транзисторах приводит к появлению многих дефектов, которые отрицательно сказываются на характеристиках устройства.Методы химического и жидкофазного отшелушивания являются многообещающими с точки зрения масштабирования, но капельное литье материалов на поверхность полевого транзистора также не так хорошо воспроизводимо. У БП есть еще одна проблема — его очень низкая стабильность, так как он разлагается на воздухе и во влаге уже через несколько часов. Кроме того, применение биосенсоров делает материалы более восприимчивыми к деградации, поскольку они включают жидкости, находящиеся в контакте с этими материалами в течение длительного времени. Двухмерные биосенсоры на основе оксидов металлов очень перспективны благодаря высокой химической стабильности и универсальности поверхностного комплексообразования с различными рецепторами.Кроме того, оксиды металлов легко синтезировать, обрабатывать и загружать на подложки. Однако все еще необходимы дополнительные усилия для увеличения мобильности носителей и улучшения совместимости органических / неорганических интерфейсов. Монослой h-BN является отличной альтернативой диэлектрическим слоям (например, SiO ₂ ) в полевом транзисторе, где он помогает уменьшить p-легирование кислородом SiO ₂ , тем самым снижая высоту барьера Шоттки, и уменьшает рассеяние шероховатости поверхности и, следовательно, он улучшает подвижность носителей в верхнем чувствительном материале, таком как графен или TMDC.

Схематическая диаграмма, суммирующая неуглеродные 2D-материалы, их преимущества и недостатки в качестве материалов каналов для приложений биосенсоров на полевых транзисторах, а также взгляды авторов на них.

Другая проблема, связанная с неуглеродными 2D-материалами, может заключаться в том, что эти материалы все еще являются новыми, а маршруты их изготовления недостаточно надежны и недостаточно ясны для значительной части исследовательского сообщества. Стоит отметить, что количество исследований, проведенных на биосенсорах TMDCs, BP или 2D металлов на полевых транзисторах, значительно ограничено за последние пять лет.Несмотря на то, что представленное ограниченное количество исследований в основном сосредоточено на полевых транзисторах MoS ₂ , тогда как другие полупроводниковые TMDC, такие как MoSe ₂ , WS ₂ и WSe ₂ , просто не имели своих шансов. пока что. Чтобы преодолеть эти проблемы и открыть путь для своих биосенсоров на полевых транзисторах, все еще необходимо разработать более воспроизводимые, экономичные и экономящие время методы. По-прежнему необходима полная библиотека неуглеродных 2D-материалов, основанная на сопоставлении их электронных и полупроводниковых свойств и их табулировании для облегчения выбора для полевых транзисторов и коммерциализации.Больше работы следует поручить испытанию других полупроводниковых материалов TMDC для полевых транзисторов.

Вклад авторов

M.S., Y.C. и А. написал и отредактировал рукопись. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Эта работа была поддержана грантами Национального научного фонда (1842718), Министерства энергетики (номер награды FE0030456) и Калифорнийского университета в Риверсайде и Корейского института материаловедения (исследовательская программа (POC2930)) через Центр UC-KIMS. за инновационные материалы для энергетики и окружающей среды.ЯВЛЯЮСЬ. признает кафедру экологической инженерии У. Руэля Джонсона.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Саркар Д. 2D материалы для биосенсоров на основе полевых транзисторов. В: Rout C.S., Late D., Morgan H., editors. Основы и сенсорные приложения 2D-материалов. Эльзевир; Кембридж, Великобритания: 2019. С. 329–377. [Google Scholar] 2. Барсан Н., Веймар У. Понимание фундаментальных принципов газовых сенсоров на основе оксидов металлов; пример измерения CO с помощью датчиков SnO2 в присутствии влажности.J. Phys. Конденс. Иметь значение. 2003; 15: R813 [Google Scholar] 3. Макбрайд П.Т., Джаната Дж., Конт П.А., Мосс С.Д., Джонсон К.С. Ионоселективные полевые транзисторы с полимерными мембранами. Анальный. Чим. Acta. 1978; 101: 239–245. DOI: 10.1016 / S0003-2670 (01) 93360-4. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Фам Т., Ли Г., Бекьярова Э., Иткис М., Мулчандани А. Оптоэлектронный датчик газа на основе MoS2 с долей миллиардного предела обнаружения газа NO ₂ . САУ Нано. 2019; 13: 3196–3205. DOI: 10.1021 / acsnano.8b08778.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ванекая А.К., Чен В., Мюнг Н.В., Мулчандани А. Электрохимические биосенсоры на основе нанопроволоки. Электроанализ. 2006; 18: 533–550. DOI: 10.1002 / elan.200503449. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Ramnani P., Gao Y., Ozsoz M., Mulchandani A. Электронное обнаружение miRNA на аттомолярном уровне с высокой специфичностью. Анальный. Chem. 2013; 85: 8061–8064. DOI: 10.1021 / ac4018346. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 7. Тран Т.-Т., Мулчандани А. Углеродные нанотрубки и биосенсоры на основе графеновых нанополевых транзисторов.TrAC Trends Anal. Chem. 2016; 79: 222–232. DOI: 10.1016 / j.trac.2015.12.002. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Хеллер И., Конг Дж., Херинг Х.А., Уильямс К.А., Лемей С.Г., Деккер С. Индивидуальные однослойные углеродные нанотрубки в качестве наноэлектродов для электрохимии. Nano Lett. 2005. 5: 137–142. DOI: 10,1021 / NL048200m. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Гудинг Дж. Дж., Чжоу А., Лю Дж., Лошич Д., Шаптер Дж. Г., Хибберт Д. Б. Влияние длины и ориентации однослойных углеродных нанотрубок на электрохимию электродов, модифицированных нанотрубками.Электрохим. Commun. 2007; 9: 1677–1683. DOI: 10.1016 / j.elecom.2007.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Чжан Ю., Чжэн Л. К углеродным нанотрубкам с чистой хиральностью. Наноразмер. 2010; 2: 1919–1929. DOI: 10.1039 / c0nr00222d. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Чандран Г.Т., Ли Х., Огата А., Пеннер Р.М. Электрически преобразованные сенсоры на основе наноматериалов (2012–2016) Анал. Chem. 2017; 89: 249–275. DOI: 10.1021 / acs.analchem.6b04687. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 14. Ли К., Вэй X., Кисар Дж. У., Хоун Дж. Измерение упругих свойств и внутренней прочности однослойного графена. Наука. 2008. 321: 385–388. DOI: 10.1126 / science.1157996. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Болотин К.И., Сайкс К.Дж., Цзян З., Клима М., Фуденберг Г., Хоун Дж., Ким П., Стормер Х.Л. Сверхвысокая подвижность электронов в взвешенном графене. Твердотельная Коммунал. 2008. 146: 351–355. DOI: 10.1016 / j.ssc.2008.02.024. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Цанг Д.К.Х., Либерталь Т.Дж., Уоттс К., Данлоп И.Е., Рамадан С., Армандо Э., Кляйн Н. Химически функционализированный биосенсор на основе графеновых полевых транзисторов для определения экзосом без меток. Sci. Отчет 2019; 9: 1–10. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Tu J., Gan Y., Liang T., Hu Q., Wang Q., Ren T., Sun Q., Wan H., Wang P. Графеновый матричный биосенсор FET на основе аптамера ssDNA для сверхчувствительного обнаружения Hg2 + в загрязнителях окружающей среды . Передний. Chem. 2018; 6: 333. DOI: 10.3389 / fchem.2018.00333. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

18. Коломбо Л., Венугопал А.Графеновый полевой транзистор со слоем графического интерфейса в контактах. № 9,882,008. Патент США. 30 января 2018 г .;

19. Хан К., Тарин А.К., Аслам М., Ван Р., Чжан Ю., Махмуд А., Оуян З., Чжан Х., Го З. Последние разработки в области появляющихся двумерных материалов и их приложений. J. Mater. Chem. С. 2020; 8: 387–440. DOI: 10.1039 / C9TC04187G. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Бао X., Ou Q., Xu Z., Zhang Y., Bao Q., Zhang H. Инженерия зонной структуры в 2D-материалах для оптоэлектронных приложений. Adv.Матер. Technol. 2018; 3: 1800072. DOI: 10.1002 / admt.201800072. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Ли Дж., Ло Х., Чжай Б., Лу Р., Го З., Чжан Х., Лю Ю. Черный фосфор: двумерный насыщающийся поглощающий материал для волоконных лазеров с модуляцией добротности и синхронизацией мод в среднем инфракрасном диапазоне . Sci. Отчет 2016; 6: 30361. DOI: 10,1038 / srep30361. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Торриси Ф., Коулман Дж. Электрификация чернил с помощью 2D-материалов. Nat. Nanotechnol. 2014; 9: 738–739. DOI: 10.1038 / nnano.2014.218.[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Чжу К., Ду Д., Линь Ю. Графен и графеноподобные 2D-материалы для оптического биосенсирования и биоимиджинга: обзор. 2D Mater. 2015; 2: 32004. DOI: 10.1088 / 2053-1583 / 2/3/032004. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Батлер С.З., Холлен С.М., Цао Л., Цуй Ю., Гупта Дж.А., Гутьеррес Х.Р., Хайнц Т.Ф., Хонг С.С., Хуанг Дж., Исмах А.Ф. Прогресс, проблемы и возможности в двумерных материалах помимо графена. САУ Нано. 2013; 7: 2898–2926. DOI: 10.1021 / nn400280c. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25.Zhou J., Lin J., Huang X., Zhou Y., Chen Y., Xia J., Wang H., Xie Y., Yu H., Lei J. Библиотека атомарно тонких металлических халькогенидов. Природа. 2018; 556: 355–359. DOI: 10.1038 / s41586-018-0008-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Санкар И.В., Чон Дж., Чан С.К., Чо Дж.Х., Хван Э., Ли С. Гетерогенная интеграция 2D-материалов: последние достижения в производстве и применении функциональных устройств. Нано. 2019; 14: 1

9. DOI: 10.1142 / S17932

300093. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ву К.А., Чен В.Y. Полевые транзисторные биосенсоры для биомедицинских приложений: последние достижения и перспективы на будущее. Датчики. 2019; 19: 4214. DOI: 10,3390 / s1

14. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 28. Нехра А., Пал Сингх К. Современные тенденции в создании биосенсоров на основе полевых транзисторов со встроенными наноматериалами. Биосенс. Биоэлектрон. 2015; 74: 731–743. DOI: 10.1016 / j.bios.2015.07.030. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Сидморади Л., Ахмади А., Нортон М.Л., Омидфар К. Обзор технологии полевых транзисторов на основе наноматериалов для обнаружения биомаркеров.Microchim. Acta. 2019; 186: 739. DOI: 10.1007 / s00604-019-3850-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Фам Т., Рамнани П., Вильярреал К.С., Лопес Дж., Дас П., Ли И., Неупане М.Р., Рим Ю., Мулчандани А. Гетероструктуры MoS2-графена как эффективные органические соединения, воспринимающие 2D-материалы. Углерод. 2019; 142: 504–512. DOI: 10.1016 / j.carbon.2018.10.079. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Цзин X., Илларионов Ю., Ялон Э., Чжоу П., Грассер Т., Ши Ю., Ланца М. Инженерные полевые транзисторы с двумерными полупроводниковыми каналами: состояние и перспективы.Adv. Функц. Матер. 2020; 30: 11. DOI: 10.1002 / adfm.2011. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Нам Х., О Б.-Р., Чен М., Ви С., Ли Д., Курабаяши К., Лян X. Изготовление и сравнение биосенсоров на полевых транзисторах MoS 2 и WSe 2. J. Vac. Sci. Technol. B Nanotechnol. Микроэлектрон. Матер. Процесс. Измер. Феном. 2015; 33: 06FG01. DOI: 10,1116 / 1,4

0. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Sarkar D., Liu W., Xie X., Anselmo A.C., Mitragotri S., Banerjee K. MoS ₂ полевой транзистор для безметочных биосенсоров нового поколения.САУ Нано. 2014; 8: 3992–4003. DOI: 10,1021 / NN5009148. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Чжэн К., Хуанг Л., Чжан Х., Сунь З., Чжан З., Чжан Г.Дж. Изготовление сверхчувствительных ДНК-биосенсоров полевых транзисторов методом направленного переноса на основе графена, выращенного методом CVD. ACS Appl. Матер. Интерфейсы. 2015; 7: 16953–16959. DOI: 10.1021 / acsami.5b03941. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Ченг С., Хидешима С., Куроива С., Наканиши Т., Осака Т. Обнаружение опухолевых маркеров без использования этикеток с использованием биосенсоров на основе полевых транзисторов (FET) для диагностики рака легких.Приводы Sens. B Chem. 2015; 212: 329–334. DOI: 10.1016 / j.snb.2015.02.038. [CrossRef] [Google Scholar] 37. Syu Y.-C., Hsu W.-E., Lin C.-T. Обзор. Биосенсор на полевых транзисторах: устройства и клиническое применение. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2018; 7: Q3196 – Q3207. DOI: 10.1149 / 2.02

jss. [CrossRef] [Google Scholar] 38. Кайсти М. Принципы обнаружения биологических и химических датчиков на полевых транзисторах. Биосенс. Биоэлектрон. 2017; 98: 437–448. DOI: 10.1016 / j.bios.2017.07.010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39.Майд С.М., Салими А., Гасеми Ф. Сверхчувствительное обнаружение miRNA-155 при раке молочной железы с помощью прямого анализа гибридизации с использованием двумерного полевого транзисторного биосенсора на основе дисульфида молибдена. Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 105: 6–13. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.01.009. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Ли Х.В., Кан Д.-Х., Чо Дж. Х., Ли С., Джун Д.-Х., Пак Дж .-Х. Высокочувствительные и многоразовые безмембранные полевые транзисторы (FET) типа диселенида вольфрама (WSe ₂ ) Биосенсоры.ACS Appl. Матер. Интерфейсы. 2018; 10: 17639–17645. DOI: 10.1021 / acsami.8b03432. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. Chen X., Hao S., Zong B., Liu C., Mao S. Ультраселективное зондирование антибиотиков с помощью полевых транзисторов аптамера / MoS2 на основе комплементарной цепи ДНК. Биосенс. Биоэлектрон. 2019; 145: 111711. DOI: 10.1016 / j.bios.2019.111711. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Чен Ю., Рен Р., Пу Х., Чанг Дж., Мао С., Чен Дж. Биосенсоры на полевых транзисторах с двумерными нанолистами черного фосфора.Биосенс. Биоэлектрон. 2017; 89: 505–510. DOI: 10.1016 / j.bios.2016.03.059. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 43. Ким Дж., Сандо С., Цуй Т. Биосенсор на основе послойно нанесенных наночастиц фосфора для обнаружения рака печени; Материалы Международного конгресса и выставки по машиностроению ASME 2017; Тампа, Флорида, США. 3–9 ноября 2017 г .; п. V002T02A072. [Google Scholar] 44. Сон М.К., Намгунг С.Д., Сунг Т., Чо А.Дж., Ли Дж., Джу М., Нам К.Т., Ли Ю.С., Квон Дж.Й. Физически переходные полевые транзисторы на основе черного фосфора.ACS Appl. Матер. Интерфейсы. 2018; 10: 42630–42636. DOI: 10.1021 / acsami.8b15015. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 45. Балендран С., Валиа С., Алсаиф М., Нгуен Э.П., Оу Дж. З., Жуйков С., Шрирам С., Бхаскаран М., Калантар-заде К. Платформа биосенсорного анализа на основе полевого эффекта на основе 2D α-MoO3. САУ Нано. 2013; 7: 9753–9760. DOI: 10.1021 / nn403241f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 46. Чен Х., Рим Ю.С., Ван И.С., Ли К., Чжу Б., Сунь М., Гурски М.С., Хе Х., Ян Ю. Квазидвумерные сверхчувствительные потенциометрические биосенсоры на основе металлооксидных полупроводников.САУ Нано. 2017; 11: 4710–4718. DOI: 10.1021 / acsnano.7b00628. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 47. Rim Y.S., Bae S.H., Chen H., Yang J.L., Kim J., Andrews A.M., Weiss P.S., Yang Y., Tseng H.R. Печатные ультратонкие конформные биосенсоры на основе оксида металла и полупроводника. САУ Нано. 2015; 9: 12174–12181. DOI: 10.1021 / acsnano.5b05325. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 48. Чжан Ю.Дж., Йошида М., Судзуки Р., Иваса Ю. Двумерные кристаллы дихалькогенида переходного металла и их ионно-электронные функции. 2D Mater.2015; 2: 44004. DOI: 10.1088 / 2053-1583 / 2/4/044004. [CrossRef] [Google Scholar] 49. Zong X., Yan H., Wu G., Ma G., Wen F., Wang L., Li C. Повышение фотокаталитического выделения h3 на CdS путем загрузки MoS2 в качестве сокатализатора при облучении видимым светом. Варенье. Chem. Soc. 2008; 130: 7176–7177. DOI: 10,1021 / ja8007825. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 50. Wilson J.A., Yoffe A.D. Обсуждение дихалькогенидов переходных металлов и интерпретация наблюдаемых оптических, электрических и структурных свойств.Adv. Phys. 1969; 18: 193–335. DOI: 10.1080 / 000187361307. [CrossRef] [Google Scholar] 51. Lin Y.-C., Dumcenco D.O., Huang Y.-S., Suenaga K. Атомный механизм фазового перехода из полупроводника в металл в однослойном MoS 2. Nat. Nanotechnol. 2014; 9: 391. DOI: 10.1038 / nnano.2014.64. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 52. Каппера Р., Войри Д., Ялчин С.Э., Бранч Б., Гупта Г., Мохите А.Д., Чховалла М. Фазовые контакты с низким сопротивлением для ультратонких транзисторов MoS 2. Nat. Матер.2014; 13: 1128. DOI: 10,1038 / nmat4080. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 53. Хан Г.Х., Дуонг Д.Л., Кеум Д.Х., Юн С.Дж., Ли Й.Х. Ван-дер-Ваальсовы дихалькогениды металлических переходных металлов. Chem. Ред. 2018; 118: 6297–6336. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.7b00618. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 54. Чжан Х. Ультратонкие двумерные наноматериалы. САУ Нано. 2015; 9: 9451–9469. DOI: 10.1021 / acsnano.5b05040. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 55. Коулман Дж. Н., Лотия М., О’Нил А., Бергин С. Д., Кинг П. Дж., Хан У., Янг К., Гоше А., Де С., Смит Р.Дж. Двумерные нанолисты, полученные жидким расслоением слоистых материалов. Наука. 2011; 331: 568–571. DOI: 10.1126 / science.1194975. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 56. Ли К., Ли К., Калб В., Лю Х.-З., Бергер Х., Карпик Р. В., Хоун Дж. Характеристики трения атомарно тонких листов. Наука. 2010; 328: 76–80. DOI: 10.1126 / science.1184167. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 57. Чан Дж., Чон С., Со Дж., Ким М.-К., Сим Э., О Й., Нам С., Пак Б., Cheon J. Ультратонкие нанодиски дисульфида циркония. Варенье. Chem. Soc. 2011; 133: 7636–7639. DOI: 10.1021 / ja200400n. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 58. Jeong S., Yoo D., Jang J., Kim M., Cheon J. Четко определенные коллоидные двухмерные слоистые нанокристаллы халькогенидов переходных металлов с помощью обобщенных синтетических протоколов. Варенье. Chem. Soc. 2012; 134: 18233–18236. DOI: 10,1021 / ja3089845. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 59. Чжэн Б., Чен Ю. Управляемый рост монослойных кристаллов MoS ₂ и MoSe ₂ с использованием трехтемпературной зонной печи; Материалы серии конференций IOP: Материаловедение и инженерия; Чанша, Китай.28–29 октября 2017 г .; п. 12085. [Google Scholar] 60. Ю Дж., Хоссейн М.Д., Луо З. Синтез двумерных дихалькогенидов переходных металлов методом химического осаждения из паровой фазы с контролируемым числом слоев и морфологией. Nano Converg. 2018; 5: 26. DOI: 10.1186 / s40580-018-0158-х. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 61. Чжан Ю., Яо Ю., Сендеку М.Г., Инь Л., Чжан Х., Ван Ф., Ван З., Хе Дж. Недавний прогресс в выращивании двухмерных дихалькогенидов переходных металлов и родственных гетероструктур методом химического осаждения из паровой фазы. Adv. Матер.2019; 31: 1

4. DOI: 10.1002 / adma.2014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 62. Чжао С., Хотта Т., Корецунэ Т., Ватанабе К., Танигучи Т., Сугавара К., Такахаши Т., Шинохара Х., Китаура Р. Двумерный металлический NbS2: рост, оптическая идентификация и транспортные свойства. 2D Mater. 2016; 3: 25027. DOI: 10.1088 / 2053-1583 / 3/2/025027. [CrossRef] [Google Scholar] 63. Wang C., Wu X., Ma Y., Mu G., Li Y., Luo C., Xu H., Zhang Y., Yang J., Tang X. Металлические многослойные нанолисты VSe 2: высокие двухслойные. размерная проводимость гибких плоских твердотельных суперконденсаторов.J. Mater. Chem. А. 2018; 6: 8299–8306. DOI: 10.1039 / C8TA00089A. [CrossRef] [Google Scholar] 64. Ли П., Вэнь Ю., Хэ Х., Чжан К., Ся К., Ю З.-М., Ян С.А., Чжу З., Альшариф Х.Н., Чжан Х.-Х. Свидетельства топологического полуметалла Вейля типа II WTe 2. Nat. Commun. 2017; 8: 1–8. DOI: 10.1038 / s41467-017-02237-1. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 65. Rasch J.C.E., Stemmler T., Müller B., Dudy L., Manzke R. 1 T − TiSe ₂ : Полиметалл или полупроводник? Phys. Rev. Lett. 2008; 101: 237602.DOI: 10.1103 / PhysRevLett.101.237602. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 66. Овчинников Д., Аллен А., Хуанг Ю.-С., Думченко Д., Кис А. Электротранспортные свойства однослойного WS2. САУ Нано. 2014; 8: 8174–8181. DOI: 10.1021 / nn502362b. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 67. Ганатра Р., Чжан К. Многослойный MoS2: многообещающий слоистый полупроводник. САУ Нано. 2014; 8: 4074–4099. DOI: 10.1021 / nn405938z. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 68. Конг К., Шан Дж., Ван Ю., Ю. Т. Оптические свойства двумерного полупроводника WS2.Adv. Опт. Матер. 2018; 6: 1700767. DOI: 10.1002 / adom.201700767. [CrossRef] [Google Scholar] 69. Канадзава Т., Амемия Т., Исикава А., Упадхьяя В., Цурута К., Танака Т., Миямото Ю. Многослойные транзисторы HfS 2. Sci. Отчет 2016; 6: 22277. DOI: 10,1038 / srep22277. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 70. Радисавлевич Б., Уитвик М.Б., Кис А. Интегральные схемы и логические операции на основе однослойного MoS2. САУ Нано. 2011; 5: 9934–9938. DOI: 10.1021 / nn203715c. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 71.Пу Дж., Йомогида Ю., Лю К.-К., Ли Л.-Дж., Иваса Ю., Такенобу Т. Очень гибкие тонкопленочные транзисторы MoS2 с ионно-гелевыми диэлектриками. Nano Lett. 2012; 12: 4013–4017. DOI: 10.1021 / NL301335q. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 72. Тонгай С., Сахин Х., Ко К., Люс А., Фан В., Лю К., Чжоу Дж., Хуанг Ю.-С., Хо С.-Х., Ян Дж. Поведение монослоя в массивном ReS 2 за счет электронной и вибрационной развязки. Nat. Commun. 2014; 5: 3252. DOI: 10,1038 / ncomms4252. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 73. Дель Посо-Самудио О., Шварц С., Сич М., Акимов И.А., Байер М., Шофилд Р.К., Чехович Э.А., Робинсон Б.Дж., Кей Н.Д., Колосов О.В. Фотолюминесценция двумерных пленок GaTe и GaSe. 2D Mater. 2015; 2: 35010. DOI: 10.1088 / 2053-1583 / 2/3/035010. [CrossRef] [Google Scholar] 74. Ли З., Эжиларасу Г., Чатзакис И., Дхалл Р., Чен С.-К., Кронин С.Б. Непрямая ширина запрещенной зоны при инжекции горячих электронов в гетеропереходы металл / MoS2 и металл / WSe2. Nano Lett. 2015; 15: 3977–3982. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.5b00885. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 75.Дас С., Чен Х.-Й., Пенумача А.В., Аппенцеллер Дж. Высокоэффективные многослойные MoS2-транзисторы со скандиевыми контактами. Nano Lett. 2012; 13: 100–105. DOI: 10.1021 / NL303583V. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 76. Lee G.-H., Cui X., Kim YD, Arefe G., Zhang X., Lee C.-H., Ye F., Watanabe K., Taniguchi T., Kim P. Высокостабильный, двухсторонний Транзисторы MoS2, залитые гексагональным нитридом бора, с управляемым затвором контактом, сопротивлением и пороговым напряжением. САУ Нано. 2015; 9: 7019–7026. DOI: 10.1021 / acsnano.5b01341. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 77. Wang Q.H., Kalantar-Zadeh K., Kis A., Coleman J.N., Strano M.S. Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов. Nat. Nanotechnol. 2012; 7: 699. DOI: 10.1038 / nnano.2012.193. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 78. Фюрер М.С., Хоун Дж. Измерение подвижности в транзисторах MoS 2 с двойным затвором. Nat. Nanotechnol. 2013; 8: 146. DOI: 10.1038 / nnano.2013.30. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 79. Чой В., Чоудхари Н., Хан Г.Х., Пак Дж., Акинванде Д., Ли Й.Х. Последние разработки двумерных дихалькогенидов переходных металлов и их применения. Матер. Сегодня. 2017; 20: 116–130. DOI: 10.1016 / j.mattod.2016.10.002. [CrossRef] [Google Scholar] 80. Ким С., Конар А., Хван В.-С., Ли Дж. Х., Ли Дж., Ян Дж., Юнг К., Ким Х., Ю Дж .-Б., Чой Дж .-Й. Высокомобильные и маломощные тонкопленочные транзисторы на основе многослойных кристаллов MoS 2. Nat. Commun. 2012; 3: 1–7. DOI: 10,1038 / ncomms2018. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 81.Десаи С.Б., Мадхвапати С.Р., Сачид А.Б., Ллинас Дж.П., Ван К., Ан Г.Х., Питнер Г., Ким М.Дж., Бокор Дж., Ху К. MoS _{2 транзистора} с длиной затвора 1 нанометр. Наука. 2016; 354: 99–102. DOI: 10.1126 / science.aah5698. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 82. Zhu J., Xu H., Zou G., Zhang W., Chai R., Choi J., Wu J., Liu H., Shen G., Fan H. MoS ₂ -OH двухслойный рост монослой MoS2 размером в дюйм на произвольных подложках. Варенье. Chem. Soc. 2019; 141: 5392–5401. DOI: 10,1021 / jacs.9b00047. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 83. Мэй Дж., Ли Ю.-Т., Чжан Х., Сяо М.-М., Нин Ю., Чжан З.-Й., Чжан Г.-Дж. Полевой транзисторный биосенсор на основе дисульфида молибдена для сверхчувствительного обнаружения ДНК с использованием морфолино в качестве зонда. Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 110: 71–77. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.03.043. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 84. Lee D.-W., Lee J., Sohn I.Y, Kim B.-Y., Son YM, Bark H., Jung J., Choi M., Kim TH, Lee C. Полевой транзистор с химически синтезированным Канал обнаружения MoS 2 для высокочувствительного электрического обнаружения гибридизации ДНК без использования меток.Nano Res. 2015; 8: 2340–2350. DOI: 10.1007 / s12274-015-0744-8. [CrossRef] [Google Scholar] 85. Loan P.T.K., Zhang W., Lin C., Wei K., Li L., Chen C. Гетероструктуры графена / MoS2 для сверхчувствительного обнаружения гибридизации ДНК. Adv. Матер. 2014; 26: 4838–4844. DOI: 10.1002 / adma.201401084. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 86. Shan J., Li J., Chu X., Xu M., Jin F., Wang X., Ma L., Fang X., Wei Z., Wang X. Высокочувствительное определение глюкозы при чрезвычайно низких концентрациях с использованием MoS 2 на базе полевого транзистора.RSC Adv. 2018; 8: 7942–7948. DOI: 10.1039 / C7RA13614E. [CrossRef] [Google Scholar] 87. Долуи К., Рунггер И., Санвито С. Происхождение n-типа и p-проводимости монослоев MoS 2 на подложке SiO 2. Phys. Ред. Б. 2013; 87: 165402. DOI: 10.1103 / PhysRevB.87.165402. [CrossRef] [Google Scholar] 88. Карвалью А., Ван М., Чжу X., Родин А.С., Су Х., Кастро Нето А.Х. Фосфорен: от теории к приложениям. Nat. Rev. Mater. 2016; 1: 1–16. DOI: 10.1038 / natrevmats.2016.61. [CrossRef] [Google Scholar] 89. Ли Л., Yu Y., Ye G.J., Ge Q., Ou X., Wu H., Feng D., Chen X.H., Zhang Y. Полевые транзисторы с черным фосфором. Nat. Nanotechnol. 2014; 9: 372–377. DOI: 10.1038 / nnano.2014.35. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 90. Чен П., Ли Н., Чен X., Онг В.-Дж., Чжао X. Восходящая звезда двумерного черного фосфора за пределами графена: синтез, свойства и электронные приложения. 2D Mater. 2017; 5: 014002. DOI: 10.1088 / 2053-1583 / aa8d37. [CrossRef] [Google Scholar] 91. Ахтар М., Андерсон Г., Чжао Р., Алруки А., Мрочковска Дж.Э., Суманасекера Г., Ясински Дж.Б. Последние достижения в синтезе, свойствах и применении фосфорена. Npj 2D Mater. Прил. 2017; 1: 5. DOI: 10,1038 / s41699-017-0007-5. [CrossRef] [Google Scholar] 92. Guan L., Xing B., Niu X., Wang D., Yu Y., Zhang S., Yan X., Wang Y., Sha J. Отшелушивание с помощью металла нескольких слоев черного фосфора с высоким выходом. Chem. Commun. 2018; 54: 595–598. DOI: 10.1039 / C7CC08488A. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 93. Го З., Чжан Х., Лу С., Ван З., Тан С., Шао Дж., Сунь З., Xie H., Wang H., Yu X.-F.F. и др. От черного фосфора до фосфора: отшелушивание с использованием основного растворителя, эволюция комбинационного рассеяния света и приложения в сверхбыстрой фотонике. Adv. Функц. Матер. 2015; 25: 6996–7002. DOI: 10.1002 / adfm.201502902. [CrossRef] [Google Scholar] 94. Китада С., Симидзу Н., Хоссейн М.З. Безопасный и быстрый синтез черного фосфора и его очистка. САУ Омега. 2020; 5: 11389–11393. DOI: 10.1021 / acsomega.0c00404. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 95. Ge X., Ся З., Го С. Последние достижения в области черного фосфора для биомедицины и биочувствительности. Adv. Функц. Матер. 2019; 29: 1

8. DOI: 10.1002 / adfm.201

8. [CrossRef] [Google Scholar] 96. Favron A., Gaufrès E., Fossard F., Phaneuf-L’Heureux A.-L., Tang NYW, Lévesque PL, Loiseau A., Leonelli R., Francoeur S., Martel R. Эффекты фотоокисления и квантового ограничения в расслоенный черный фосфор. Nat. Матер. 2015; 14: 826–832. DOI: 10,1038 / nmat4299. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 97. Лу В., Нан Х., Hong J., Chen Y., Zhu C., Liang Z., Ma X., Ni Z., Jin C., Zhang Z. Изготовление монослойного фосфора с помощью плазмы и его характеристика комбинационного рассеяния. Nano Res. 2014; 7: 853–859. DOI: 10.1007 / s12274-014-0446-7. [CrossRef] [Google Scholar] 98. Срешт В., Падуа А.А., Бланкштейн Д. Жидкофазное отшелушивание фосфора: правила расчета на основе моделирования молекулярной динамики. САУ Нано. 2015; 9: 8255–8268. DOI: 10.1021 / acsnano.5b02683. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 99. Dhanabalan S.C., Ponraj J.S., Го З., Ли С., Бао К., Чжан Х. Новые тенденции в производстве фосфора для устройств следующего поколения. Adv. Sci. 2017; 4: 1600305. DOI: 10.1002 / advs.201600305. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 100. Сяо Х., Чжао М., Чжан Дж., Ма Х., Чжан Дж., Ху Т., Тан Т., Цзя Дж., Ву Х. Электрохимическое катодное расслоение объемного черного фосфора на многослойные нанолисты фосфора. Электрохим. Commun. 2018; 89: 10–13. DOI: 10.1016 / j.elecom.2018.02.010. [CrossRef] [Google Scholar] 101.Ван М., Лян Ю., Лю Ю., Рен Г., Чжан З., Ву С., Шен Дж. Квантовые точки сверхмалого черного фосфора: синтез, характеристика и применение в лечении рака. Аналитик. 2018; 143: 5822–5833. DOI: 10.1039 / C8AN01612G. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 102. Meng Z., Stolz R.M., Mendecki L., Mirica K.A. Электрически преобразованные химические сенсоры на основе двумерных наноматериалов. Chem. Ред.2019; 119: 478–598. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.8b00311. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 104. Раджендран С., Manoj D., Raju K., Dionysiou DD, Naushad M., Gracia F., Cornejo L., Gracia-Pinilla MA, Ahamad T. Влияние нанокомпозита NiO (Ni2 + / Ni3 +) — TiO2, индуцированного мезопористыми дефектами, на неферментативные биосенсоры глюкозы. Приводы Sens. B Chem. 2018; 264: 27–37. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.02.165. [CrossRef] [Google Scholar] 105. Лю П., Хо Х., Тан Й., Сюй Дж., Лю Х., Вонг Д.К.Й. Составной фотоэлектрохимический ферментный биосенсор TiO2 нанолист-g-C3N4, возбудимый видимым излучением. Анальный. Чим.Acta. 2017; 984: 86–95. DOI: 10.1016 / j.aca.2017.06.043. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 107. Сонея С., Двиведи П., Дханекар С., Дас С., Кумар В. Температурные электрические характеристики амбиполярного полевого транзистора с нижним затвором на основе наноструктурированного WO3. IEEE Trans. Nanotechnol. 2018; 17: 1288–1294. DOI: 10.1109 / TNANO.2018.2874093. [CrossRef] [Google Scholar] 108. Юлиарто Б., Гумилар Г., Септиани Н.Л.В. Наноструктура SnO2 как сенсоры загрязняющих газов: синтез, зондирование и механизм. Adv. Матер.Sci. Англ. 2015; 2015: 1–14. DOI: 10,1155 / 2015/694823. [CrossRef] [Google Scholar] 109. Rim Y.S., Chen H., Zhu B., Bae S.H., Zhu S., Li P.J., Wang I.C., Yang Y. Разработка интерфейса металлооксидных полупроводников для приложений биосенсора. Adv. Матер. Интерфейсы. 2017; 4: 1700020. DOI: 10.1002 / admi.201700020. [CrossRef] [Google Scholar] 110. Обод Ю.С. Обзор тонкопленочных транзисторов на основе металлооксидных полупроводников для применения в сенсорных устройствах. J. Inf. Дисп. DOI 2020: 10.1080 / 15980316.2020.1714762.[CrossRef] [Google Scholar] 111. Драл А.П., Йохан Э. Двумерные наночастицы оксида металла для сенсорных приложений: обзор и перспективы. Приводы Sens. B Chem. 2018; 272: 369–392. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.05.157. [CrossRef] [Google Scholar] 112. Alsaif M.M.Y.A., Field M.R., Daeneke T., Chrimes A.F., Zhang W., Carey B.J., Berean K.J., Walia S., Van Embden J., Zhang B., et al. Плазмонный резонанс, зависящий от отшелушивающего растворителя, в двумерных нанофластиках оксида молибдена субстехиометрического состава. ACS Appl. Матер. Интерфейсы.2016; 8: 3482–3493. DOI: 10.1021 / acsami.5b12076. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 113. Woong-Ki H., Jongwon Y., Takhee L. Опосредованная водородной плазмой модификация электрических транспортных свойств полевых транзисторов с нанопроволокой ZnO. Нанотехнологии. 2015; 26: 125202. [PubMed] [Google Scholar] 114. Су М., Ян З., Ляо Л., Цзоу Х., Хо Дж. К., Ван Дж., Ван Дж., Ху В., Сяо Х., Цзян К. и др. Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе In2O3 на основе нанопроволоки с боковым затвором для высокопроизводительных энергонезависимых запоминающих устройств. Adv.Sci. 2016; 3: 1–7. DOI: 10.1002 / advs.201600078. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 115. Nakatsuka N., Yang K.A., Abendroth J.M., Cheung K.M., Xu X., Yang H., Zhao C., Zhu B., Rim Y.S., Yang Y. и др. Полевые транзисторы с аптамером преодолевают ограничения по длине Дебая для измерения малых молекул. Наука. 2018; 362: 319–324. DOI: 10.1126 / science.aao6750. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 116. Вен В., Сун Ю., Ян X., Чжу К., Ду Д., Ван С., Асири А. М., Лин Ю. Последние достижения в области появляющихся 2D-наноматериалов для приложений биочувствительности и биовизуализации.Матер. Сегодня. 2018; 21: 164–177. DOI: 10.1016 / j.mattod.2017.09.001. [CrossRef] [Google Scholar] 117. Ким К.К., Ли Х.С., Ли Й.Х. Синтез гетероструктур гексагонального нитрида бора для двумерной ван-дер-ваальсовой электроники. Chem. Soc. Ред.2018; 47: 6342–6369. DOI: 10.1039 / C8CS00450A. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 118. Латурия А., Ван де Пут М.Л., Ванденберге В.Г. Диэлектрические свойства гексагонального нитрида бора и дихалькогенидов переходных металлов: от монослоя к объему. Npj 2D Mater. Прил. 2018; 2: 1–7.DOI: 10.1038 / s41699-018-0050-х. [CrossRef] [Google Scholar] 119. Седири Х., Пиеруччи Д., Хайлауи М., Хенк Х., Патриарх Г., Даппе Й.Дж., Юань С., Тури Б., Белкху Р., Глупый М.Г. и др. Атомно острый интерфейс в h-BN-эпитаксиальной гетероструктуре графена Ван-дер-Ваальса. Sci. Отчет 2015; 5: 1–10. DOI: 10,1038 / srep16465. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 120. Дин С.Р., Янг А.Ф., Мерик И., Ли К., Ван Л., Соргенфрей С., Ватанабе К., Танигучи Т., Ким П., Шепард К.Л. и др.Подложки из нитрида бора для высококачественной графеновой электроники. Nat. Nanotechnol. 2010; 5: 722–726. DOI: 10.1038 / nnano.2010.172. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 121. Джу М.-К., Мун Б.Х., Джи Х., Хан Г.Х., Ким Х., Ли Г., Лим С.С., Сух Д., Ли Й.Х. Электронное избыточное легирование и эффективное уменьшение барьера Шоттки на гетероструктуре MoS 2 / h -BN. Nano Lett. 2016; 16: 6383–6389. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.6b02788. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 122. Сайто А., Аяно Т., Номура С. Фотоотклик в тонкопленочных транзисторах h-BN / MoS2 / h-BN.Jpn. J. Appl. Phys. 2018; 57: 045201. DOI: 10.7567 / JJAP.57.045201. [CrossRef] [Google Scholar]

Патент США на процесс с полевым транзистором с субмикрометровой длиной канала (Патент №4,430,791, выдан 14 февраля 1984 г.)

ОПИСАНИЕ

1. Техническая область

Это изобретение относится к структуре полупроводниковой интегральной схемы и способу изготовления таких интегральных схем, которые содержат полевые транзисторные устройства с длиной затвора субмикрометра.

2. Ссылки на родственные заявки

(1) Заявка на патент, сер. № 335,953, поданная 30 декабря 1981 г., озаглавленная «Структура и процесс полевого МОП-транзистора для создания микрометрического расстояния между истоками и стоками», Ф. Х. Де Ла Монеда и Р. К. Докерти.

(2) Заявка на патент Сер. № 335,893, поданной 30 декабря 1981 г., озаглавленной «Процесс изготовления полевого МОП-транзистора с субмикронным каналом», Дж. Райзманом и П. Дж. Цангом.

(3) Заявка на патент, сер. № 335,892, подана декабрь.30, 1981, озаглавленный Дж. Райзманом «Процесс самовыравнивающегося полевого транзистора».

(4) Заявка на патент, сер. № 335,894, поданная 30 декабря 1981 г., озаглавленная «Способ изготовления конструкции стержня для самовыравнивающейся металлизации», С. А. Аббас и И. Э. Магдо.

3. Предпосылки создания

Технология интегральных схем требует получения узких линий ширины в диапазоне от 1 микрометра или меньше за счет расширения стандартных методов фотолитографии и исключения необходимости использования более дорогих и сложных методов, таких как электронно-лучевая или рентгеновская литография.Один из таких методов описан H. B. Pogge в бюллетене IBM Technical Disclosure Bulletin, ноябрь 1976 г., Vol. 19, No. 6, pp. 2057-2058, озаглавленный «Метод маскирования узкой ширины линии». Этот метод включает использование пористого кремния с последующим окислением пористого кремния. Другой метод описан S.A. Abbas et al. в бюллетене IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 20, No. 4, сентябрь 1977 г., стр. 1376-1378. Этот метод описывает использование маскирующих слоев поликристаллического кремния, которые превращают в маску, сначала используя промежуточную маску из материала, блокирующего окисление, такого как нитрид кремния, при формировании поликристаллического кремния.С помощью этого метода можно получить линии с размерами менее примерно 2 микрометров.

Патент США. No. 4 209 349 и 4 209 350, авторы I. T. Ho et al., Патент США. № 4234362, автор J. Riseman и пат. В US 4,256,514, автор H. B. Pogge, описаны способы формирования областей с узкими размерами, например, субмикрометровых размеров на кремниевом теле. Все эти патенты включают формирование по существу горизонтальных поверхностей и по существу вертикальных поверхностей на кремниевом теле с последующим формированием слоя очень узкого размера как на по существу горизонтальных, так и по существу вертикальных поверхностях.Затем этот слой подвергают процессу анизотропного травления, например, реактивному ионному травлению, чтобы по существу удалить горизонтальный слой, оставляя вертикальный слой практически неповрежденным. Размер вертикального слоя регулируется в зависимости от исходной толщины нанесенного слоя. Таким образом получается такая узкая область размеров, как 1 микрометр или меньше.

В области интегральных схем были предприняты значительные усилия по разработке процессов изготовления полевого транзистора с субмикрометровым каналом с высокой степенью контроля длины канала.Примеры этой работы описаны в «Новом подходе с определением границ для изготовления субмикрометровых полевых МОП-транзисторов» W. R. Hunter et al., IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-2 № 1, январь 1981 г., стр. 4-6, «Субмикрометрическая поликремниевая затворная CMOS / SOS-технология», автор A.C. Ipri et al. опубликовано в IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-27, № 7, июль 1980 г., стр. 1275-1279 и «Новая субмикронная технология изготовления» T. N. Jackson et al. опубликовано в IEDM 1979 Conference Volume, pp. 58-61. В первой статье используется метод реактивного ионного травления для образования диоксида кремния с боковыми стенками.Во второй статье используется метод боковой диффузии бора. Третий метод заключается в нанесении металлического покрытия на край металлического слоя с традиционным рисунком. Другие устройства на полевых транзисторах с коротким каналом проиллюстрированы в патенте США W. E. Armstrong. № 4062699, J. Goel, патент США. № 4145459 и J.H. Scott, Jr., патент США. № 4 201 603. Патент Армстронга использует процесс ионной имплантации и диффузии для уменьшения длины канала его полевого МОП-транзистора. В патенте Goel используется технологическая последовательность, которая включает использование выемки, сформированной в части полупроводникового тела, и дополнительно включает нанесение металлических пленок с каждой стороны выемки до тех пор, пока расстояние между металлическими пленками поперек выемки не станет равным желаемому. длина ворот.Патент Скотта-младшего обеспечивает контролируемое легирование края слоя поликремния, а затем позволяет удалить нелегированный поликремний путем травления его материалом, который не травит область легированного поликремния.

The J. Cohen et al. Патент США В US 4 182023 описан способ изготовления полевого МОП-транзистора с кремниевым затвором, который обеспечивает автоматическое выравнивание структуры затвора с соседними областями истока / стока. Процесс включает формирование на поликремнии маскирующего слоя, обеспечивающего маскируемую область, имеющую первую границу; формирование из кремниевого слоя кремниевого электрода, имеющего вторую границу, расположенную вдоль подложки от первой границы; и легирование подложки для образования примесной области с сопутствующей границей, контролируемой первой границей и совпадающей со второй границей.Этот процесс плохо контролируется по размерам. Он протравливает поликристаллический кремний затвора с помощью маски из фоторезиста, которую очень трудно контролировать.

Поэтому желательно предоставить полевой транзистор с коротким каналом высокой плотности, который можно интегрировать в структуры интегральных схем, которые могут использоваться в памяти или логике. Также полезно иметь такие короткоканальные полевые транзисторы, изолированные друг от друга диэлектрической изоляцией. Эти транзисторы должны иметь как можно более низкое значение паразитной емкости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением описан способ изготовления структуры полупроводниковой интегральной схемы, имеющей элемент устройства субмикрометровой длины, в котором на полупроводниковой подложке формируется рисунок изоляции поверхности, который изолирует области полупроводника внутри подложки друг от друга. Эти полупроводниковые области предназначены для размещения устройств. По меньшей мере, один слой формируется над областями, обозначенными устройством, и протравливается, в результате получается узорчатый слой, имеющий по существу вертикальные боковые стенки, некоторые из которых проходят через определенные области устройства.На этих вертикальных боковых стенках сформирован слой боковой стенки контролируемой субмикрометровой толщины. Слой с рисунком затем удаляется, что оставляет узор из участков слоя боковой стенки субмикрометровой толщины, которые проходят через определенные области устройства. Требуемый рисунок PN-переходов теперь формируется в подложке с использованием, например, методов диффузии или ионной имплантации с субмикрометровым слоем контролируемой толщины, используемым в качестве маски. Эффект заключается в переносе субмикронного рисунка в нижележащую область.

Способ, описанный в предыдущем абзаце, может найти конкретное применение для формирования полевых транзисторов с длиной затвора субмикронного размера в структуре интегральной схемы. В этом случае предпочтительно, чтобы один слой, который формируется над областью устройства, включал в себя слой диоксида кремния, который предназначен для того, чтобы быть частично диэлектрическим слоем затвора полевых транзисторных устройств, а также последующий проводящий слой, такой как первый слой поликристаллического кремния, силицида металла и т.п., слой нитрида кремния и второй слой поликристаллического кремния поверх него.Рисунок по существу вертикальных боковых стенок выполнен предпочтительно во втором слое поликристаллического кремния. Как и в предыдущем абзаце, слой боковой стенки используется в качестве маски при травлении в данной ситуации слой нитрида кремния и первый поликристаллический кремний или аналогичный слой для формирования электрода затвора полевых транзисторных устройств в первом поликристаллическом кремнии или подобный слой, имеющий ширину слоя боковины. Затем выполняется ионная имплантация рядом с электродом затвора, чтобы сформировать требуемый элемент истока / стока для полевых устройств в областях устройства.

Уменьшение паразитной емкости может быть достигнуто за счет уменьшения перекрытия металлического или поликристаллического кремниевого затвора над PN-переходами исток / сток. Это достигается формированием затворного диэлектрического слоя диоксида кремния на основной поверхности монокристаллической подложки с последующим формированием на нем поликристаллического кремния, слоя силицида металла или подобного слоя. Затем поликристаллический кремний или подобный слой травят, чтобы обеспечить участки слоя поликристаллического кремния, имеющие по существу вертикальные боковые стенки, которые в конечном итоге будут выполнять функцию электрода затвора для полевого устройства.Изолирующий слой формируется на вертикальных частях боковых стенок путем нанесения конформного изолирующего слоя с последующим анизотропным травлением этого конформного слоя для удаления горизонтальных частей слоя и, по существу, для того, чтобы конформный слой оставался в качестве прокладки на по существу вертикальных боковых стенках. поликристаллического кремния или подобного слоя. Затем выполняется ионная имплантация проводимости, придающей примеси кремниевой подложке для формирования требуемых PN-элементов истока / стока для устройства.Конформная прокладка на боковых стенках поликристаллического кремния или подобного слоя отделяет ионно-имплантируемые примеси от электрода затвора, так что во время следующих этапов отжига и / или нагрева движение примесей не попадает под электрод затвора. Это эффективно предотвращает проблему емкости перекрытия с помощью строгого контроля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах показано следующее:

РИС. 1-8 схематично иллюстрируют процесс формирования полевых транзисторов с субмикрометровым каналом согласно настоящему изобретению.

РИС. 9 и 10 иллюстрируют модификацию фиг. 1-8, чтобы преодолеть проблему перекрывающейся емкости.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Более подробно обратимся к фиг. 1-8 показан вариант изготовления полевого транзистора с субмикрометровым каналом в структуре интегральной схемы высокой плотности. В этом варианте осуществления также показан способ получения длин канала субмикронного размера, а также длины канала стандартного полевого транзистора и / или другой ширины линии, которые должны быть изготовлены одновременно с полевым транзистором субмикрометровой длины канала.Процесс проиллюстрирован для формирования N-канальных интегральных схем MOSFET. Однако было бы очевидно, что полевые транзисторы с каналом P могут быть альтернативно сформированы настоящим вариантом осуществления путем простого изменения полярности различных элементов транзисторов и связанных областей.

Первая серия этапов включает формирование средств изоляции для изоляции областей монокристаллического кремния от других областей монокристаллического кремния в кристаллографически ориентированной кремниевой подложке 10 P- <100>, как, таким образом, можно увидеть со ссылкой на фиг.1. Изоляция предпочтительно может быть частичной диэлектрической изоляцией с использованием таких материалов, как диоксид кремния, стекло, полиимид и т.д., по отдельности или в сочетании. Предпочтительный образец частичной диэлектрической изоляции 12 определяет участки поверхности монокристаллического кремния, на которых в конечном итоге будут формироваться полевые устройства. В данной области техники существует множество способов формирования областей диэлектрической изоляции этого типа. Предпочтительно использовать процесс, описанный в Magdo et al. заявка на патент сер. № 150609, поданная 7 июня 1971 г., или Пельтцер У.С. Пат. №3,648,125. Альтернативно, способ, описанный в J. A. Bondur et al. Патент США № 4,104,086 может быть использован. В этой патентной заявке и патентах подробно описаны процессы формирования области 12 частичной диэлектрической изоляции. Область 14 P + обычно формируется под областью 12 диэлектрического изоляционного слоя для предотвращения образования инверсионного слоя и возникающей в результате утечки электричества между изолированными монокристаллическими областями под областью изоляции 12.

Вкратце, утопленная область 12 и 14 диэлектрической изоляции может быть сформирована путем сначала термического окисления поверхности кремниевой подложки 10 с образованием на ней слоя диоксида кремния (не показан).Затем наносят слой нитрида кремния (не показан) путем химического осаждения из паровой фазы. Слой нитрида кремния имеет отверстия, сформированные в желаемом месте областей изоляции с помощью обычных методов литографии и травления. Область 14 P + образована ионной имплантацией бора через слой диоксида кремния в отверстии в слое нитрида кремния. Слой нитрида кремния образует эффективную маску для проникновения ионов бора в оставшиеся области, покрывающие поверхность пластины.Углубленная область 12 изоляции оксида затем выращивается путем помещения пластины в среду окисления на время, достаточное для образования углубленных областей окисления 12. Слои нитрида кремния и диоксида кремния теперь удаляются с поверхности кремниевой пластины. Теперь сформирован рисунок поверхностной изоляции в полупроводниковой кремниевой подложке, который изолирует области полупроводника внутри подложки друг от друга.

Первый изолирующий слой 16 сформирован на поверхности кремниевого тела 10.Этот слой предпочтительно представляет собой термически выращенный диоксид кремния, который предназначен для использования в качестве части диэлектрического слоя затвора на поверхности кремниевой подложки. Однако в альтернативном варианте слой может состоять из диоксида кремния, нитрида кремния, триоксида алюминия и т.п. или комбинации вышеперечисленного. Слой предпочтительно термически выращивают в кислороде или кислородно-водяном паре окружающей среды при температуре около 970 ° С. C. для образования термического слоя диоксида кремния. Предпочтительная толщина этого слоя составляет около 25 нанометров.Второй способ выращивания диоксида кремния включает использование процесса химического осаждения из паровой фазы, в котором SiH 4 и O 2 примерно при 450 ° C. Или SiH 2, O 2 и N 2 O при температуре около 800 ° C. C. в условиях атмосферного или низкого давления. Осаждение нитрида кремния обычно осуществляется химическим осаждением из паровой фазы с использованием следующих условий процесса: SiH 4, NH 3 и газ-носитель N 2 при температуре около 800 ° C. C. в условиях атмосферного или низкого давления, как описано, например, в V.Y. Doo Патент США. № 4089992. Когда изолирующий слой сформирован из комбинации диоксида кремния и нитрида кремния, толщина этих слоев составляет, например, от 10 до 20 нанометров нитрида кремния и от 10 до 40 нанометров диоксида кремния.

Поверхностная проводимость P-подложки 10 регулируется там, где должны быть сформированы полевые транзисторы. Пороговое значение Vt регулируют, используя, например, имплантацию ионов бора с дозой примерно 1 · 10 12 / см 2 при примерно 7 кэВ для получения области 18 P на поверхности.

Теперь нанесен первый слой 20 поликристаллического кремния по всей поверхности с рисунком изоляции поверхности и поверх слоя 16 диоксида кремния. Слой поликристаллического кремния осаждается с использованием, например, силана в среде водорода в диапазоне температур около 500 град. С до 1000 ° С. И предпочтительно около 600 ° С. Рабочая толщина поликристаллического кремния составляет примерно от 100 до 1000 нанометров, предпочтительно 250 нанометров.Слой поликристаллического кремния в этом варианте осуществления не имеет электрического контакта с кремниевым телом 10, так как он сформирован на первом изолирующем слое 16. Слой поликристаллического кремния в качестве альтернативы может быть легирован при осаждении или может быть нанесен практически нелегированным, а затем легирован последующим POCl. процесс диффузии или ионной имплантации и нагрева. Предпочтительно использовать диффузионное легирование POCl 3 первого слоя поликристаллического кремния 20.

Слой 22 нитрида кремния, который может иметь толщину, например, примерно от 50 до 100 нанометров, наносится путем химического осаждения из паровой фазы путем разложения силана в аммиаке при 800.степень. C. Нитрид кремния можно заменить другими изолирующими слоями или комбинацией слоев. Также могут быть использованы другие способы осаждения нитрида кремния. Теперь осаждают второй слой 24 поликристаллического кремния с использованием процесса, используемого для формирования первого слоя 20 поликристаллического кремния. Толщина второго слоя поликристаллического кремния составляет примерно от 200 до 1000 нанометров.

Процесс формирования слоя контролируемой субмикрометровой толщины на вертикальных боковых стенках второго слоя 24 поликристаллического кремния можно лучше понять со ссылкой на фиг.2. Стандартные методы литографии и травления используются для создания оставшихся частей второго слоя 24 поликристаллического кремния, имеющего по существу вертикальные боковые стенки, которые проходят через определенные из обозначенных областей устройства и переходят в окружающий узор изоляции. Одна такая область 24 показана в поперечном сечении на фиг. 2. Стадия травления предпочтительно представляет собой процесс анизотропного травления, такой как реактивное ионное травление, RIE, в SF 6 / Cl 2. В этом процессе термический диоксид кремния (не показан) выращивают на поликристаллическом слое 24 и наносят фоторезист.Термический диоксид кремния травят в плазме CF 4. Фоторезист удаляют, и слой 24 протравливают в SF 6 / Cl 2. Затем удаляют оставшийся слой термического оксида.

Следующим этапом является формирование слоя контролируемой субмикрометровой толщины на боковых стенках рисунка 24 поликристаллического кремния. Это предпочтительно достигается путем нанесения конформного изолирующего слоя 26 на оставшиеся части слоя 24 поликристаллического кремния. диоксид кремния, но альтернативно может быть любой другой материал, который будет иметь характеристики травления, отличные от слоя 24 поликристаллического кремния.Процесс осаждения можно очень эффективно контролировать по толщине, и он будет равномерно осаждаться на всех существенных горизонтальных и вертикальных поверхностях до одинаковой толщины. Слой 26 теперь подвергается анизотропному травлению, чтобы по существу удалить слой 26 с горизонтальных поверхностей и оставить слой боковой стенки на по существу вертикальных поверхностях второго слоя поликристаллического кремния. Этот процесс травления представляет собой реактивное ионное травление, RIE, в CF 4 / H 2 или CHF.3 плазмы.

Оставшаяся часть слоя 24 поликристаллического кремния удаляется, например, путем травления в пирокатехиновом растворе для влажного химического травления, чтобы оставить фиг. 3, при этом субмикрометровые слои 26 боковой стенки остаются такими, как показано на фиг. 3. Фиг. 4 показывает вид сверху конструкции. Поперечное сечение 3-3 на фиг. 4 — это фиг. 3 сечения. Рисунок изоляции поверхности, который изолирует определенные полупроводниковые области 18 друг от друга с помощью утопленной оксидной изоляции 12, отчетливо виден на фиг.4.

Конформный слой 26, который используется для формирования субмикрометрового слоя боковой стенки, альтернативно может состоять из других материалов, кроме диоксида кремния. Другими полезными материалами являются нитрид кремния, триоксид алюминия и комбинации этих материалов с диоксидом кремния. Контрольная толщина слоя 26 боковой стенки обычно составляет от 200 до 1000 нанометров и предпочтительно около 500 нанометров. Нежелательные части слоя 26 боковой стенки могут быть удалены с использованием обычных методов литографии и травления, которые приводят к изображению на фиг.5 строение. Короткий канал показан в левой части устройства на фиг. 5 шириной линии 26, которая пересекает эту область. Линия 26 в середине фиг. 5 изображает поликристаллическую линию узкой ширины, которую можно использовать для различных целей, например, для создания резистора с высоким номиналом.

Процесс может продолжаться исключительно с полевыми транзисторами с субмикрометровым каналом в интегральной схеме. Этот процесс продолжается путем использования конформного слоя 26 боковой стенки в качестве маски со слоем 22 нитрида кремния и первым слоем 20 поликристаллического кремния, протравленным для формирования электрода затвора полевых транзисторных устройств в первом поликристаллическом слое.Результатом этого является то, что электрод затвора из поликристаллического кремния имеет длину слоя боковой стенки. В это время процесс самовыравнивания кремниевого затвора будет продолжаться этапом ионной имплантации проводимости, придающей примеси рядом с электродом затвора, чтобы сформировать требуемые элементы истока / стока с PN-переходом для устройств на полевых транзисторах в области, предназначенные для размещения устройств. Затем на поверхности структуры формируется изолирующий слой с отверстиями в нем, имеющими электрические контакты с различными элементами полупроводниковых устройств.

В качестве альтернативы, в дополнение к канальному устройству субмикрометровой длины могут быть сформированы устройства с нормальной длиной канала порядка от 1000 до 10 000 нанометров. Процесс, проиллюстрированный на фиг. Фиг.6, 7 и 8 иллюстрируют дополнительное формирование полевых транзисторов с каналом нормальной длины вместе с транзисторами с субмикрометровой длиной канала. Открытый слой 22 нитрида кремния удаляют травлением. Процесс продолжается осаждением второго слоя 30 резистора затвора, который затем обнажается, проявляется и удаляется в областях, где нежелательно иметь резистивное покрытие, чтобы оставить рисунок, показанный на фиг.6. Слой 30 фоторезиста действует как маска травления, когда слой 20 поликристаллического кремния вытравливается в структурах 36, 38 и 39. Четыре различных типа структур схематично проиллюстрированы как сформированные на фиг. 6-8. Первая структура 32 представляет собой полевой транзистор с коротким каналом. Вторая структура 34 представляет собой узор 34 с узкой шириной проводящей линии. Третьей структурой является устройство 36 на полевых транзисторах с нормальной длиной канала. Четвертая структура представляет собой устройство 38 с широкой проводящей линией.Структуры, показанные на фиг. 6 полезны в интегральных схемах. Конструкции 32 и 36 представляют собой устройства с коротким и длинным каналом соответственно. Для оптимизации конструкции интегральных схем требуются устройства различной длины канала. Структура 34 образует резистор высокого номинала, а структура 38 может использоваться как резистор низкого номинала или соединительная линия.

Поперечное сечение 7-7 фиг. 6 показан на фиг. 7. Первый слой 20 поликремния теперь травится с использованием слоя 30 резиста и слоя 26 боковой стенки в качестве масок травления.Эта структура определяет короткие и длинные длины затворов канала для устройств 32 и 36 и межсоединения из поликристаллического кремния или резисторы структур 34 и 38. Слой 30 фоторезиста теперь удален.

Открытый диэлектрический слой диоксида кремния 16 может быть удален путем травления с последующей имплантацией или диффузией примесей фосфора или мышьяка, либо можно оставить слой диоксида кремния и использовать ионную имплантацию для проникновения в слой диоксида кремния с образованием N + областей истока / стока в областях устройства.Когда используется первая альтернатива, необходимо повторно окислить открытую поверхность кремния для образования на ней слоя диоксида кремния. В одном примере метода ионной имплантации мышьяк используется в качестве проводимости, придающей примеси порядка 5 · 10 15 ионов / см 2 и 70 кэВ. чтобы сформировать PN-переход глубиной 250 нм.

В настоящее время предпочтительно наносить химический осажденный из паровой фазы слой 40 из фосфосиликатного стекла. Обычные методы литографии и травления используются для размыкания контактов с различными элементами устройств на полевых транзисторах.Затем выполняется сплошная металлизация и очерчивание с помощью традиционных методов литографии и травления или отрыва для формирования электрических контактов 46 с различными элементами устройств и проводников полевых транзисторов, как показано на фиг. 8.

Модификация фиг. 1-8 процесс проиллюстрирован на фиг. 9 и 10. Фиг. 1-8 процесс продолжается в этом варианте осуществления до точки формирования областей истока / стока PN. Перед формированием таких областей конформный химический осажденный из паровой фазы диоксид кремния или аналогичный изолирующий слой формируется по всей структуре устройства.Анизотропное травление используется для удаления горизонтального конформного слоя химического осаждения из паровой фазы и оставления разделительного бокового слоя диоксида кремния 50 на сторонах первого слоя поликристаллического кремния. Прокладка 50 показана на фиг. 9. Ионная имплантация проводимости, придающая примеси, обычно фосфор или мышьяк, обозначена стрелками 52 и пунктирными линиями 54 в подложке. Последующие стадии окисления и отжига полностью формируют области истока / стока от пунктирных линий до сплошных линий 56, как показано на фиг.10. Фиг. 10 также иллюстрирует результат образования изолирующего слоя 40 из фосфосиликатного стекла и металлических электрических контактов 46 к различным элементам устройств.

Также возможно сформировать слой полицида поверх первого слоя поликристаллического кремния для снижения его листового сопротивления без нарушения существенного признака изобретения. Особенно те, что связаны с анизотропным травлением. Например, подробности реактивного ионного травления полицида вольфрама описаны в статье Л.Epraph, опубликованный в IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-28, № 11, ноябрь 1981 г., стр. 1315-1319. Альтернативно, первый слой поликристаллического кремния можно полностью заменить силицидом металла. Применимыми силицидами металлов являются WSi 2, TaSi 2, PdSi 2, PtSi 2 или подобные.

Хотя изобретение было конкретно показано и описано со ссылкой на его предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения.Например, поскольку эта технология может быть применена к устройствам с N-каналом и устройствам с P-каналом по отдельности, для специалистов в данной области техники было очевидно, что можно объединить их и разработать с помощью некоторых дополнительных шагов дополнительную металлическую технологию самовыравнивания полевого МОП-транзистора. . Кроме того, устройства могут быть легко адаптированы к ячейкам оперативной памяти динамического типа с МОП-конденсатором или статического типа.

définition de jis% 20semiconductor% 20designation et synonymes de jis% 20semiconductor% 20designation (anglais)

jis% 20semiconductor% 20обозначение: definition de jis% 20semiconductor% 20designation et synonymes de jis% 20semiconductor% 20обозначение (английский)

Contenu de sensagent

• определения
• синонимы
• антонимы
• энциклопедия

словари и переводчики для веб-сайтов

Александрия

Une fenêtre (pop-into) ofinformation (contenu main de Sensagent) является invoquée двойным щелчком на n’importe quel mot de votre page web.LA fenêtre fournit des explications et des traductions contextuelles, c’est-à-dire без обязательного посещения, чтобы покинуть эту страницу в Интернете!

Essayer ici, телефонный код;

Электронная коммерция решений

Расширение содержания сайта

Новое содержание Добавить на сайт вместо Sensagent в формате XML.

Parcourir les produits et les annonces

Получить информацию в XML для фильтрации лучшего содержимого.

Индексатор изображений и определения донных изображений

Fixer laignation de chaque méta-donnée (многоязычный).

Пакет обновлений по электронной почте с описанием вашего проекта.

Lettris

Lettris est un jeu de lettres gravitationnelles proche de Tetris. Chaque lettre qui apparaît спуститься; il faut placer les lettres de telle manière que des mots se forment (gauche, droit, haut et bas) и que de la place soit libérée.

болт

Три минуты разговора плюс большое количество возможных словечек и т. Д. В решетке для 16 слов.Лучшая возможность для жизни с решеткой из 25 ящиков. Lettres doivent être adjacentes et les mots les plus longs sont les meilleurs. Участвуйте в конкурсе и зарегистрируйтесь, чтобы записаться в список желающих! Jouer

Dictionnaire de la langue française
Principales Références

La plupart des définitions du français предлагает senseGates и компетентное обучение с использованием Littré et plusieurs, авторские методы, spécialisés.
Le dictionnaire des synonymes est surtout dérivé du dictionnaire intégral (TID).
Французская бенефициарная энциклопедия лицензии Википедии (GNU).

Перевод

Changer la langue cible pour obtenir des traductions.
Astuce: parcourir les champs semantiques du dictionnaire analogique en plus langues pour mieux apprendre avec sensagent.

7163 посетителей на линии

расчет на 0,062с

Allemand английский араб Bulgare китайский Coréen хорват дануа испанский язык эсперанто Estonien Finnois Français grec Hébreu хинди Гонконг остров индонезийский итальянец Япония Letton lituanien мальгаче Néerlandais Norvégien персан Polonais португалия Roumain русс серб словак словен Suédois Tchèque тайский турк Вьетнам

Allemand английский араб Bulgare китайский Coréen хорват дануа испанский язык эсперанто Estonien Finnois Français grec Hébreu хинди Гонконг остров индонезийский итальянец Япония Letton lituanien мальгаче Néerlandais Norvégien персан Polonais португалия Roumain русс серб словак словен Suédois чека тайский турк Вьетнам

.

No related posts.

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарий *

Имя *

Email *

Сайт