2.8. Полупроводники

Самое удивительное в будущем – это мысль о том, что наше время будут называть старыми добрыми временами.

Джон Стейнбек

Время, место	Событие
1833 г., Англия	Майкл Фарадей обнаружил «полупроводниковые» свойства сульфида серебра
1874 г., Германия	Фердинанд Браун описывает свойства полупроводников проводить ток только в одну сторону
1906 г., США	Гринлиф Виттер Пикард получает патент на кристаллический детектор
1923 г., Россия	Олег Владимирович Лосев получил патент на детекторный приём-ник-гетеродин
1930 г., Германия	Юлиус Лилиенфельд запатентовал полупроводниковый усилитель (полевой транзистор)
1942 г., США	Компании Sylvania и Western Eletkric начали выпуск кремниевых диодов
1946 г., США	Выпуск Д.П. Эккертом и Д.У. Моучли первой электронно-вычислительной машины «ЭНИАК»
1947 г., 19 декабря, США	Под руководством Уильяма Шокли Джон Бардин и Уоттер Браттейн и создали точечный германиевый триод (первый полупроводниковый транзистор)
1953 г., Германия	Генрих Велькер синтезировал арсенид галлия — основу будущих лазеров и светодиодов
1956 г., США	Выпуск первого видеомагнитофона компанией «Ампекс»
1969 г, США	Заработала компьютерная сеть ARPANET – праобраз современной всемирной сети INTERNET
1976 г., США	Ст. Джопс и Ст. Возняк создают первый персональный компьютер «Apple II»
1982 г., Япония	Sony Philips создан цифровой оптический диск записи информации — CD

Открытие полупроводников и создание полупроводниковых приборов по праву считается одной из важнейших инноваций ушедшего века. Именно это открытие вызвало лавину новых технических изобретений, стало причиной нового витка научно-технической революции, привело к появлению компьютеров, интернета, сотовых телефонов и качественно изменило нас. Теперь человека можно называть не «человек разумный», а «человек информационный».

Датой рождения полупроводниковой электроники можно считать 1833 год, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфидов серебра с ростом температуры не уменьшается, как это характерно для металлов, а наоборот, увеличивается.

Немного отвлечёмся от полупроводниковой темы и ещё раз удивимся тому, как Фарадей, подобно талантливому футболисту-нападающему, оказывается в нужном месте и в нужное время. Только футболист за один матч может иметь несколько таких моментов, а моментов появления новых технических направлений развития Цивилизации всего несколько за всю историю Человечества. И во главе двух из них оказался Майкл Фарадей!

Так что отдадим должное Фарадею, не будем требовать от него невозможного – естественно, что объяснения этому явлению он не дал, а лишь описал его, открыв тем самым эру полупроводников.

Следующая дата, связанная с историей полупроводников – 1874 год. В статье журнала Analen der Phusik und Chemie немецкий учёный Фердинанд Браун описывает интересные свойства некоторых «серных металлов» проводить электрический ток только в одну сторону. Интересное свойство контакта металла и полупроводника проводить ток в одном направлении противоречит закону Ома. Казалось бы, надо всесторонне исследовать это явление, но современники просто не заметили этого факта, как и весьма неуклюжих попыток Брауна дать этому какие-то объяснения.

С высоты сегодняшнего дня, времени сотовых телефонов и компьютеров, мы, конечно, можем обвинить учёных того времени в недальновидности, но это будет несправедливо. Сложно, а порой и невозможно рассмотреть в рядовой статье зародыш будущей технологии. Тем более, что таких зародышей направлений развития техники, взаимоисключающих друг друга, может быть много. В бескомпромиссной конкурентной борьбе технической эволюции победитель определяется по факту через десятки, а то и через сотни лет. Легко предсказывать события и давать им объяснения после того, как они произошли!

Сегодня выходят тысячи и десятки тысяч статей научно-технического содержания. Можно сказать определённо, что среди них обязательно есть и те, которые неузнаваемо изменят мир будущего. Найдите эти статьи, займитесь описываемой в них проблематикой и возможно, что вы станете лауреатом Нобелевской премии. Если же вы начнёте делать на этом бизнес, то непременно станете миллиардером!

Но вернёмся к истории развития полупроводников, которая преподнесёт нам ещё много весьма поучительных примеров.

В 1906 году американец Гринлиф Виттер Пикард получает патент на кристаллический детектор, получивший название «Кошачий ус». Название связывается с внешним видом этого детектора: тонкая металлическая проволока, осуществляющая точечный контакт с поверхностью полупроводника, действительно сильно напоминает кошачий ус. Этот экстравагантный по внешнему виду прибор позволяет выпрямлять и демодулировать высокочастотный переменный ток. Проблема заключается в том, что для удовлетворительной работы устройства необходимо найти наиболее подходящие точки на поверхности полупроводника. Но поиск таких точек стал бессмысленным с появлением вакуумных ламп, которые сразу и надолго решили проблемы выпрямления тока. «Кошачий ус» не без оснований тут же отнесли к бесперспективной ветви технической эволюции и отправили умирать в архивы и технические музеи. Наступил период царствования вакуумных ламп.

Но развитие полупроводников не прекратилось. Подобно тому, как млекопитающие прятались до поры до времени в тени царствующих динозавров, подбирая крошки с их стола, полупроводники медленно, но верно продолжали под звуки ламповых радиоприёмников своё пока незаметное шествие к мировому господству.

Следующая страница этой истории связана с удивительным человеком, нашим соотечественником – Олегом Владимировичем Лосевым, широко известным за рубежом, но незаслуженно забытым у себя на родине.

Свою карьеру Лосев начинает в 1920 году, тогда ему исполнилось 17 лет. Сбывается мечта его жизни – его берут посыльным в Московский институт связи, где по вечерам ему разрешено работать в лаборатории. Молодому посыльному дают самый бесперспективный участок – разработку кристаллического детектора. Так как все трудились в области «новейших технологий», связанных с лампами, никто не хотел заниматься тупиковой темой полупроводников. Именно поэтому посыльный Лосев имеет возможность работать в одиночку и полностью самостоятельно.

Специалистам того времени было хорошо известно, что в полупроводниковом детекторе нельзя создать высокочастотные колебания и получить усиление в принципе. Но вчерашний школьник этого не знает… Он скрупулезно и трудолюбиво экспериментирует, фиксирует и находит точку в кристалле, позволяющую генерировать в нём высокочастотные сигналы!

Свои результаты Лосев представляет в скромной статье журнала «Телеграфия и телефония без проводов» в 1922 году. То, чего не может быть, Лосевым объясняется довольно путано и странно. Сегодня, анализируя эту статью, становится понятно, что молодой сотрудник Московского института связи пытался объяснить квантовые эффекты задолго до появления квантовой механики. Он создал туннельный диод, за «переоткрытие» которого японский физики Лео Исаки получил Нобелевскую премию в 1977 году.

В 1923 году Лосев получил патент на детекторный приёмник-гетеродин, а в 1924 году выпускает брошюру под названием «Кристадин». Миллионы радиолюбителей Советского Союза используют изобретение Лосева. Статьи Лосева публикуются в ведущих отечественных и иностранных технических журналах. Начинается активное обсуждение работ двадцатилетнего изобретателя. Его изобретение иначе как сенсационным и не называют. Автор одной из американских статей Хьго Генсбек не только восторженно отзывается о изобретении, но предусмотрительно и меркантильно регистрирует торговую марку «Кристадин».

Далее Лосев работает в Ленинградском физико-техническом институте. Позже было найдено письмо Лосева, датированное 12 июля 1939 года. В нём он чётко указывает на возможность построения полупроводниковой системы, выполняющей функции вакуумного триода, и высказывает намерение напечатать по этому поводу ряд статей. Если бы это произошло, то наш соотечественник стал бы изобретателем транзистора и, можно сказать, официально бы «разрезал ленточку», открывающую эпоху транзисторной научно-технической революции. Но в 1935 году по причине очередной реорганизации Лосев остаётся без работы. Может быть, это послужило косвенной причиной того, что эти статьи так и не были опубликованы. С трудом всемирно известный изобретатель устраивается ассистентом в Первый медицинский институт, где пытается продолжать свои исследования в мало подходящих для этого условиях. Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде 22 января 1942 года. Ему было всего 38 лет. Вместе с Лосевым исчез первый шанс СССР вовремя войти в новый технологический уклад.

Основоположниками и первооткрывателями транзистора стали американцы Уильям Шокли, Джон Бардин и Уоттер Браттейн, которые работали в научно-конструкторском центре корпорации American Telepone and Telegraph. Именно они и создали точечный германиевый триод (первый полупроводниковый транзистор). Известна точная дата рождения транзистора – 19 декабря 1947 года. В этот день уставший от длительной и неудачной работы Браттейн

случайно сдвинул иголки, определяющие зону управления транзистором, очень близко и, кроме того, ещё и перепутал их полярность. Экран осциллографа равнодушно высветил картинку, к которой они безуспешно стремились несколько лет – было видно значительное усиление сигнала.

30 июня 1948 года в Нью-Йорке прошла открытая презентация транзистора. Она, к удивлению изобретателей, не вызвала интереса общественности. Заметка об этом эпохальном открытии была опубликована на 46 странице «Нью-Йорк Таймс» в рубрике «Новости радио» и осталась совершенно незамеченной. Но к ещё большему удивлению и разочарованию изобретателей и корпорации результат никак не заинтересовал военных, на выгодные контракты с которыми сильно рассчитывали. Специалисты Пентагона, внимательно изучающие любые технические новинки через призму начавшейся с СССР гонки вооружений, не увидели перспектив показанного им изобретения. Это, как ни странно покажется на первый взгляд, для научно-технического прогресса оказалось даже полезным. Работы не засекретили, а чтобы получить хоть какую-то прибыль, корпорация начала продавать лицензии на изготовление транзисторов и даже организовала учебные центры и школы. И это был еще один хороший шанс для Советского Союза заполучить транзистор, но и он был не использован. Логика вполне понятна, если американские военные не заинтересовались изобретением, то с чего бы нашим военным тратить на это деньги?

Всего на полгода позже был изобретён и европейский транзистор, авторами которого были немцы, работавшие во Франции, Герберт Матаре и Генрих Велкер. Но лавры первооткрывателей им, понятное дело, не достались. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии 1956 года по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». На церемонии вручения Э.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, назвал их достижение «образцом предвидения, остроумия и настойчивости в достижении цели».

Вскоре все радиоприёмники стали содержать транзисторы, их даже начали так и называть – «транзисторы». Компоненты ракет, радиолокационных станций, систем управления нельзя представить без транзисторов. Начался очередной виток научно-технической революции, определяющий значение и вес государств в мировой политике и экономике. Советский Союз неоднократно имел все шансы одним из первых включиться в эту гонку. Если бы Лосеву создали не то что благоприятные, а хотя бы элементарно сносные условия для работы, если бы была куплена лицензия на транзисторы, пока она была в свободной продаже…

Но история, как известно, не терпит сослагательного наклонения. Поэтому почти все последующие изобретения, связанные с полупроводниковой техникой, были сделаны в США. А наша отечественная техника, несмотря на свои многочисленные преимущества, надолго приобрела недостаток, связанный со слабой электроникой.

Итак, начинается стремительное развитие полупроводников. Постоянно улучшаются их рабочие характеристики, повышается надёжность. Для удовлетворения непрерывно возрастающих запросов на усложнение техники требуется всё большее количество транзисторов. Особенно важной становится задача уменьшения их размеров.

Гордон Мур, Шелдон Робертс, Евгений Клайнер, Роберт Нойс, Виктор Гринич, Джулиус Бланк, Джин Хоерни и Джей Ласт в 1957 году за собственные средства приступают к разработке технологии массового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на одной пластине сразу сотни транзисторов. Через полгода работы они смогли продать компании IBM 100 первых транзисторов по цене 150 долларов за штуку. Так появились интегральные схемы (чипы), которые в 1960-е годы сразу же стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров. Это позволило на порядок уменьшить размеры приборов и увеличить их производительность.

В 1970-х годах стали рождаться фирмы, являющиеся сегодня супергигантами мировой экономики. Так, в 1968 году Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel. Компания MOTOROLA, до этого специализировавшаяся на производстве автомобильных радиоприемников, в 1974 году активно включается в техническую гонку и выпускает на рынок микроконтроллер MC6800, который на долгие годы становится востребованным в автомобильной и бытовой электронике.

Рынок электронных компонентов стал для промышленности своего рода «клондайком», где поворотливые компании сколачивали миллионы и миллиарды. Небывалыми темпами строились заводы по производству микросхем, старые компании очень быстро разорялись или перепрофилировались. Производство ламп свёрнуто ударными темпами, зато постоянно расширяется номенклатура выпускаемых полупроводников: аналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ транзисторы и тиристоры. Никогда до этого промежуток времени между открытием и промышленным внедрением не был таким коротким. Но и этого уже было недостаточно. Быстрота развития и изменения интегральных схем привела к принципиально новому принципу создания технических устройств. В 70-е годы в университете Беркли США была разработана программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), которая предназначалась для моделирования интегральных схем на электрическом уровне и позволяла проверять правильность работы схемы на уровне виртуальной компьютерной модели. Теперь уже стало не надо создавать физический прототип, чтобы выявить принципиальные ошибки проектирования схемы – это можно было быстро сделать на модели.

К сожалению, СССР с его плановой экономикой не мог угнаться за Западом. Нельзя сказать, что ничего не делалось: в 1963 году был создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде; Ф.А.Щиголь разработал планарные транзисторы 2Т312 и 2Т319, ставшие основным активным элементом гибридных схем; в 1964 году созданы первые интегральные схемы ИС-»Тропа» с 20 элементами на кристалле; в 1966 году начат выпуск логических и линейных интегральных схем; в 1968 НИИ «Пульсар» выпустил партию первых гибридных тонкопленочных итегральных схем с планарными бескорпусными транзисторами, предназначенных для телевидения, радиовещания и связи; в 1969 году Жорес Иванович Алферов сформулировал и практически реализовал свои идеи управления электронными и световыми потоками в полупроводниках. В 2000 году за исследования в области информационных и коммуникационных технологий он был удостоен Нобелевской премии.

Но всё же отечественная промышленность неудержимо отставала от мировой. К середине 1990-х годов российская электроника имела годовые объемы вложений 150 млн. долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. Результаты этого отставания сегодня мы воочию можем увидеть в магазине: в продаже нет ни отечественных телефонов, ни компьютеров, ни другой многочисленной техники со сложной электроникой.

Сегодня развитие техники, связанное с уменьшением размеров полупроводниковых приборов, с увеличением их быстродействия, продолжается уже на наноуровне. В 2006 году в США создан транзистор из одиночной молекулы углерода, ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевых частотах. Такой второй качественный скачок, позволит, как это случилось в 1960-е годы, создать совершенно новую элементную базу, отличающуюся высокой компактностью, низким энергопотреблением и невиданным ранее быстродействием.

Первый полупроводниковый скачок позволил создать совершенно новый тип техники, не имевший ранее аналогов – компьютер. Это вызвало к жизни новые виды досуга, например, такие как компьютерные игры, появилась всемирная сеть Интернет, мощный рывок сделала медицина, создание человеко-машины – киборга стало вполне реальной перспективой самого ближайшего будущего. И причина всех этих изменений – изобретение какого-то неприметного полупроводникового транзистора.

Что будет создано на новом витке полупроводниковой революции? И какое место займёт на новом рынке российское производство? Ждать осталось недолго.

Темы для докладов и рефератов

Принцип действия, устройство и технология изготовления полупроводникового транзистора.

Жизнь и изобретения Олега Владимировича Лосева.

История развития компании «Intel».

Экономические и социальные последствия полупроводниковой «революции».

Нанотранзисторы будущего.

Дискуссии

Как обеспечить развитие технических инноваций в России?

Литература

1. Гуреева, Ольга. Транзисторная история / О. Гуреева. Компоненты и технологии. №9. 2006.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru.

История открытия p-n перехода, или с чего начинался транзистор

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» —  настоящий прорыв в области физики.  Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции — важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн. Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит  серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды — транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это  область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые «дырки», способные «поглощать» электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость  n-типа (от negative — отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя «дырки». Но, когда заполняется одна «дырка» рядом возникает другая — покинутая электроном. Таким образом, «дырки» создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive — положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и «дырки» в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой  К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся  «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов. Сформированная В.Е. Лашкаревым  научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!”, — напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер — МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее — сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.

Полупроводниковая промышленность — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Полупроводниковая промышленность — совокупный набор компаний, занятых в проектировании и производстве полупроводниковых приборов.

Данная отрасль сформировалась около 1960 г., после того, как производство полупроводниковых приборов стало рентабельным бизнесом. С тех пор промышленность выросла до размеров оборота в 249 млрд долларов долл. в год.^[1]

В мировой полупроводниковой промышленности доминируют США, Южная Корея, Япония, Тайвань, Сингапур

и Европейский союз.

Согласно отчету KPMG^[что?], объем рынка оценивался в 304 млрд долларов в 2010 году.

Крупнейшие компании отрасли^[2] (в список не включены компании, производящие полупроводниковые приборы в рамках модели Foundry (en:Semiconductor foundry)).

По состоянию на 2013 год крупнейшими по капитализации компаниями мира в сфере производства полупроводников (и оборудования для них) были Samsung Electronics, Intel, Qualcomm, TSMC, Texas Instruments, ASML, Broadcom, Hynix, Applied Materials, Tokyo Electron^[3].

Эта отрасль имеет ряд особенных характеристик, которые выделяют её в экономике и на глобальной арене конкуренции. Эти характеристики включают в себя:

• Роль этой промышленности, как технологического стимулятора и средства, раскрывающего возможности развития . Полупроводниковая промышленность широко признается в качестве ключевого фактора для экономического роста в своей роли множественного рычага и технологического стимулятора для всей цепочки добавленной стоимости в отрасли электроники. Другими словами, в 2004 году, из всемирной базы полупроводникового рынка в 213 млрд долларов, индустрия позволила сгенерировать около 1,2 трлн долларов в бизнесе электронных систем, и 5 трлн долларов в сфере услуг, что представляет собой около 10 % мирового ВВП.
• Непрерывный рост, но в циклической форме с высокой волатильностью. Уже примерно 20 лет полупроводниковая промышленность показывает среднегодовой рост порядка 13%; он сопровождался настолько же уровнем волатильности выше средне-рыночного, что может приводить к значительным, если не резким циклическим колебаниям.
• Потребность в высокой степени гибкости и инновационности для того, чтобы постоянно адаптироваться к стремительным изменениям на рынке. Многие продукты встроенных полупроводниковых приборов зачастую имеют очень короткий жизненный цикл. В то же время, уровень постоянного улучшения соотношения цена-производительность в полупроводниковой промышленности был ошеломляющим. Как следствие, изменения на рынках полупроводников возникают не только очень быстро, но и предвосхищают изменения в отраслях, развивающихся более медленными темпами. Еще одним следствием этого быстрого темпа является то, что установившийся рынок сильных игроков может очень быстро изменяться.

Полевой транзистор — Википедия

Мощный полевой транзистор с каналом N-типа

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят из канала, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

История создания полевых транзисторов[править | править код]

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом[править | править код]

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом^[1] (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в примере на рисунке — n-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное (запирающее) напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемого сигнала. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя, то есть изменяется площадь поперечного сечения области в криcталле, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора называются:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Тип полупроводниковой проводимости канала может быть как n-, так и p-типа. По типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя. При некотором запирающем напряжении VP{\displaystyle V_{P}} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток через канал транзистора станет весьма малым.

Так как обратный ток p-n-перехода весьма мал, в статическом режиме или при низких рабочих частотах мощность, отбираемая от источника сигнала ничтожно мала. При высоких частотах ток, отбираемый от источника сигнала может быть значительным и идет на перезаряд входной ёмкости транзистора.

Таким образом, полевой транзистор по принципу управления током аналогичен электровакуумной лампе — триоду, но по виду сток-истоковых вольт-амперных характеристик близок к электровакуумному пентоду. При такой аналогии исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

• в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
• любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
• существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы обладают низким уровнем шума (особенно на низких частотах) по сравнению с биполярными транзисторами, так как в полевых транзисторах нет инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть выполнен внутри полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника порождают низкочастотные шумы.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)[править | править код]

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.
a) — с индуцированным каналом, b) — со встроенным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом[править | править код]

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при подаче напряжения на сток, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом[править | править код]

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом. В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе (рис. 2, b), при подаче напряжения на сток, ток стока оказывается значительным даже при нулевом напряжении на затворе (рис. 3, b). Поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта Ic{\displaystyle I_{c}} в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт U3u<Unop{\displaystyle U_{3u}<U_{nop}}

Ic=0{\displaystyle I_{c}=0}

Пороговое значение напряжения МДП транзистора Unop=1.5B{\displaystyle U_{nop}=1.5B}

2. Параболический участок. U3u>Unop{\displaystyle U_{3u}>U_{nop}}

Ic=Kn[(U3u−Unop)Ucu−Ucu22]{\displaystyle I_{c}=K_{n}[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2}}{2}}]}

Kn{\displaystyle K_{n}}-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U3u{\displaystyle U_{3u}} приводит к переходу на пологий уровень.

Ic=Kn2[U3u−Unop]2{\displaystyle I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}[U_{3u}-U_{nop}]^{2}} — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения[править | править код]

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния^[2].

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности^[3][4].

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера^[5].

Схемы включения полевых транзисторов[править | править код]

Полевой транзистор в каскаде усиления сигнала можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной ёмкости затвор-исток (С_зи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная ёмкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов[править | править код]

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

1. ↑ И. П. Жеребцов. Основы электроники. Изд. 5-е. — Л., 1989. — С. 114.
2. ↑ Дьяконов, 2004.
3. ↑ Бачурин, Ваксембург, Дьяконов и др., 1994.
4. ↑ Дьяконов, Максимчук, Ремнев, Смердов, 2002.
5. ↑ Li, 2006.

• Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 416 с. — ISBN 5980031499.
• Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / Дьяконов В. П.. — М.: Радио и связь, 1994. — 280 с.
• Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В. П.. — М.: СОЛОН-Р, 2002. — 512 с.
• Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0-387-28893-2.

История изобретения лазеров — Википедия

1917	А. Эйнштейн представляет концепцию вынужденного излучения
1920	И. Франк и Ф. Райхе подтвердили существование метастабильных состояний в возбужденном состоянии
1927	Поль Дирак создает квантовую теорию вынужденного излучения
1928	Р. Ладенбург и Г. Копферман исследовали отрицательную дисперсию света в газовом разряде (в неоне)
1940	В. А. Фабрикант исследовал отрицательное поглощение света
1947	У. Лэмб и Р. Резерфорд впервые демонстрируют вынужденное излучение
1950	К. М. Пурселл и Р. Ф. Паунд получили вынужденное излучение во фториде лития при быстром переключении магнитного поля (инвертированный спин)
1951	В. А. Фабрикант, Ф. А. Бутаева и М. М. Вудынский провели эксперименты по усилению электромагнитного излучения в газах Ч. Таунс исследовал возможности создания генератора субмиллиметрового диапазона Ц. С. ван Гиил, Г. Г. Хопкинс и Н. С. Капани изготовили первое оптическое волокно
1952	Дж. Вебер разработал теорию микроволновых резонаторов, шумов и чувствительности усилителей
1953	Дж. фон Нейман разработал теорию фотонного усиления
1954	Н. Г. Басов, А. М. Прохоров; Ч. Таунс, В. Гордон; Дж. Цайгер, К. Шимода, Т. Ванг создали независимо друг от друга первый мазер на молекулах аммиака Н. С. Капани ввел термин «волоконная оптика»
1956	Н. Бломберген разработал теорию трёхуровневого твердотельного лазера
1958	Л. Шавлов и Ч. Таунс проводят расчеты мазеров для видимого и инфракрасного диапазонов
1959	Г. Гулд вводит термин «лазер» и представляет чертежи оптического мазера (лазера) в американское патентное бюро Н. Г. Басов делает теоретическое обоснование полупроводникового лазера
1960	Т. Майман создал первый лазер на кристалле рубина (Cr3+ : Al2 O 3) (λ = 694,3 нм) А. Джаван, В. Беннет и Д. Ериот построили гелий-неоновый лазер (λ = 1,15 мкм) П. Сорокин и М. Стевенсон получили стимулированную эмиссию на U3+ : CaF2 -кристалле (λ = 2,5 мкм и λ = 2,6 мкм) Ф. Г. Хоутерманс предложил эксимер как лазерную среду
1961	А. Г. Фокс и Т. Ли; Г. Д. Бойд и Дж. П. Гордон создали теорию оптических резонаторов со сферическими зеркалами П. П. Сорокин и М. Дж. Стевенсон, В. Кайзер и другие получили стимулированную эмиссию на Sm2+ : CaF2 -кристалле (λ = 708 нм) Э. Снитцер получил стимулированную эмиссию на Nd3+ : стекле (λ = 1,062 мкм) Д. Полани создал химический лазер на экзотермических газовых реакциях Р. В. Геллварт предложил генерацию мощных лазерных импульсов с помощью модуляции добротности П. А. Франкен получил генерацию второй гармоники (удвоение частоты) в рубиновом лазере с помощью кристалла кварца
1962	Д. Уайт и Дж. Риджен создали He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм Р. Холл и другие; Н. Г. Басов и другие изобрели полупроводниковые лазеры на арсениде галлия (λ = 840 нм, λ = 710 нм) Д. Кляйнман и П. Кислюк построили первый рефлектор Фабри-Перо для селекции мод в лазерном резонаторе Н. Бломберген и другие выдвинули теорию распространения волн в нелинейных средах (удвоение частоты, параметрические процессы, стимулированный эффект Рамана, многофононная ионизация и другие)
1963	Л. Джонсон и другие представили первые перестраиваемые лазеры на переходных металлах, например Ni2+ : MgF2 (λ = 1,62 мкм … 1,8 мкм) Ф. Дилл, В. Говард и другие получили непрерывную стимулированную эмиссию в GaAs диодах при температуре от 2K до 77K (λ = 840 нм) Н. Г. Басов и А. Н. Ораевский предложили идею тепловой накачки Г. Херд создал первый азотный лазер Г. Кромер, Ж. И. Алферов и Р. Ф. Казаринов предложили двойные гетероструктуры для лазерных диодов Р. Нойман предложил возбуждать твердотельные среды с помощью лазерных диодов M. Коупланд применил GaAs диод как оптический усилитель
1964	Дж. Гойзик и другие получили стимулированное излучение на длине волны 1,064 мкм в Nd:YAG-лазере (Nd3+ : Y3Al5O12) К. Пател построил первые лазеры на CO2 -газе Л. Харгроу, Р. Рорк и М. Поллак получили режим синхронизации мод в He-Ne лазере с продолжительностью импульса 600 пс В. Бриджес реализовал аргон-ионный лазер (λ = 488 нм, λ = 514 нм), ксеноновый и криптоновый лазер Г. Гэбби создал 337-мкм-HCN-лазер, первый эффективный субмиллиметровый лазер Р. Кайес и Т. Квист построили первый твердотельный лазер с накачкой лазерными диодами (U 3 + : CaF 2 -кристалл возбуждался GaAs-диодами) с рабочей температурой 4,2 K П. Кафалас, Б. Соффер и П. Сверокин реализовали пассивную модуляцию добротности с помощью насыщенного поглотителя
1965	Дж. Каспер и Дж. Пиментал изобрели химический лазер на HCl, импульсный с оптическим инициированием (λ = 3,5 мкм) Б. Фритц и Е. Менке создали первый лазер на центрах окраски в KCl: Li / Fa-кристалле (λ = 2,7 мкм) Дж. Жордмейн и Р. Миллер создали первый параметрический осциллятор на LiNbO3 -кристалле
1966	В. К. Конюхов, О. М. Прохоров; Р. Кантровитц и другие реализовали первый газодинамический CO2 -лазер П. П. Сорокин и Дж. Р. Ланкард построили первый импульсный лазер на красителях с накачкой лазером на рубине (λ = 756 нм) В. Сильфаст, Г. Фовлс реализуют первый лазер на парах металлов Zn / Cd-лазер В. Т. Уолтер построил первый лазер на парах меди (λ = 510,6 нм и λ = 578,2 нм)
1967	Ф. К. Кнойбюль и другие реализовали волноводный газовый лазер на HCN-молекулах (λ = 337 мкм) Т. Ф. Дойтч, К. Л. Компа и Г. С. Пиментель построили первый фтороводородный (HF) лазер
1968	Ж. И. Алферов и другие создали полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре с генерацией в импульсном режиме M. Росс реализовал первый Nd:YAG-лазер с накачкой лазерными диодами В. Т. Уолтер построил первый лазер на парах золота (λ = 637,8 нм)
1969	В. Б. Тифанни и другие построили первый киловаттный CO2 -лазер Т. А. Кул и Р. Р. Тефенс создали чисто химический лазер на HCl непрерывного действия
1970	O. Петерсон и другие получили непрерывное излучение на родамине 6G Н. Г. Басов и другие построили первый эксимерный лазер на Xe*2 T. Чанг и T. Бриджес построили 496-мкм-CH3 F-лазер Ж. И. Алферов и другие построили первые лазерные диоды на двойных гетероструктурах с непрерывной генерацией при комнатной температуре И. Хаяши, М. Паниш на другие построили лазерные диоды с непрерывной генерацией при комнатной температуре Л. Эсаки и Р. Тсу получили первые квантовые волновые структуры
1971	Х. Когельник и С. Шанк изобрели лазер на красителях с распределенной обратной связью
1973	M. Накамура и А. Яров создали первый DFB полупроводниковый лазер
1974	Г. Маровський использовал кольцевой резонатор для предотвращения «spatial hole burning»-эффекта А. И. Гудзенко и С. И. Яковенко предложили реактор-лазер
1975	T. Генш, А. Шавлов, Д. Винеланд и Г. Демельт предложили охлаждения атомных пучков с помощью лазеров
1976	Дж. Гсиех построил непрерывные InGaAsP-лазерные диоды (λ = 1,25 мкм)
1977	Дж. Мадейс и другие создали первый лазер на свободных электронах
1978	Дж. Валлинг построил твердотельный лазер на александрите (BeAl 2 O 4 : Cr 3+) с непрерывной перестройкой в диапазоне 710—820 нм В. Мак Дермотт, Н. Пчелкин и другие создали чисто химический лазер на электронных переходах в йоде (λ = 1,315 мкм)
1979	Е. Аффолтер и Ф. Кнойбюль построили газовый лазер с распределенной обратной связью (DFB) Х. Сода и другие создали первые поверхностно-излучающие лазерные диоды (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)
1980	Л. Молленауер, Р. Стоулен, Дж. Гордон впервые наблюдали солитоны в оптических волокнах Ц. Бор получил короткие импульсы с помощью лазера на красителях
1981	Ф. Кояма и другие построили GaInAsP / InP-лазерные диоды с распределенным отражателем Брэгга (Distributed Bragg Reflector)
1982	П. Моултон построил первый титан-сапфировый лазер (Ti 3 + : Al 2 O 3) с перестройкой длин волн излучения между 670 нм и 1079 нм
1983	Л. Молленауер, Р. Стоулен построил первый лазер на солитонах
1985	Д. Мэттьюс и другие открыли рентгеновский лазер с 15 нм излучением Т. Кейн и Р. Бэйр создали монолитный кольцевой YAG-лазер с диодной накачкой
1987	Д. Пейн открыл эрбиевий усилитель с рабочей длиной волны 1,55 мкм (Erbium Doped Fiber Amplifier)
1988	С. Пейн и другие построили первый Cr: LiCaF-лазер с перестройкой длины волны в диапазоне 720 нм и 840 нм
1989	С. Пейн и другие построили первый Cr: LiCaF-лазер с перестройкой длины волны в диапазоне 780 нм и 920 нм
1991	М. Гаазе и другие получили кратковременную генерацию с голубовато-зелёного лазерного диода на базе селенида цинка
1992	Г. Гриин, Г. Ляйзинг и другие создали первый органический полимерный светодиод с голубым излучением
1994	K. Ан и другие открыли первый лазер на одном атоме (λ = 791 нм)
1995	М. Андерсон и другие; К. Дэвис и другие впервые наблюдают конденсат Бозе-Эйнштейна в атомарных газах
1996	С. Накамура создал первые эффективные голубые лазерные диоды на базе нитрида галлия Р. Френд построил полимерный лазер с оптической накачкой
1999	В. Кеттерле и другие; К. Моцума и другие открыли первый атомный лазер — когерентное усиление материальных волн при прохождении атомного резервуара

Примесная проводимость полупроводников — Википедия

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·10¹³ / см³. В то же время число атомов германия в 1 см³ ~ 10²³. Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесными центрами могут быть:

1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As⁵⁺, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08·10⁻¹⁹ Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии — «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, то есть практически отсутствует. Небольшая часть собственных атомов полупроводника ионизирована, и часть тока образуется дырками, то есть донорные примеси — это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа.

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In³⁺ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает». Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление. Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния уменьшает удельное электрическое сопротивление кремния приблизительно в тысячу раз, а примесь одного атома индия на 10⁸ — 10⁹ атомов германия уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.

Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.

Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 302—303.

дата и история изобретения, принцип работы, назначение и применение

Кто создал первый транзистор? Этот вопрос волнует очень многих. Первый патент для полевого транзисторного принципа был оформлен в Канаде австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал никаких научных статей о своих устройствах, и его работа была проигнорирована промышленностью. Таким образом первый в мире транзистор канул в историю. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал другой полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но позже работа в 1990-х годах показала, что один из проектов Лилиенфельда работал так, как описано, и давал существенный результат. Ныне известным и общепринятым фактом считается то, что Уильям Шокли и его помощник Джеральд Пирсон создали рабочие версии аппаратов из патентов Лилиенфельда, о чем, разумеется, никогда не упоминали ни в одной из своих более поздних научных работ или исторических статей. Первые компьютеры на транзисторах, разумеется, были построены значительно позже.

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе — транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.

Дальнейшие изыскания Шокли

После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.

Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.

На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было «впрыскивать», было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения. По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.

Труды Браттена

Браттен начал работать над созданием такого устройства, и намеки на успех все также продолжали появляться, когда команда работала над проблемой. Изобретательство — сложная работа. Иногда система работает, но затем происходит очередной сбой. Порой результаты работы Браттена начинали неожиданно работать в воде, по-видимому, из-за ее высокой проводимости. Электроны в любой части кристалла мигрируют из-за близких зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах аккумулировались непосредственно сверху кристалла, где и получают противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть с поверхности с применением небольшого количества заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы потребовать большой запас инжектированных электронов, очень небольшое число в нужном месте на кристалле выполнит одно и то же.

Новый опыт исследователей в какой-то степени помог решить ранее возникшую проблему небольшой контрольной области. Вместо необходимости использования двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, будет использоваться одна большая поверхность. Выходы эмиттера и коллектора были бы расположены сверху, а контрольный провод размещен на основании кристалла. Когда ток был применен к «базовому» выводу, электроны выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока излучатель и коллектор были очень близко расположены, это должно было бы обеспечивать достаточное количество электронов или дырок между ними, чтобы начать проведение.

Присоединение Брея

Ранним свидетелем этого явления был Ральф Брей, молодой аспирант. Он присоединился к разработке германиевого транзистора в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил сложную задачу измерения сопротивления рассеяния на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры высокого сопротивления в некоторых образцах германия. Наиболее любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при применении импульсов напряжения. Первые советские транзисторы разрабатывались на основе этих американских наработок.

Прорыв

16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в H₂O, а затем на нем выпало несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голым поверхностям. Разделение между точками было около 4 × 10^-3 см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка — как пластинка. Уклонение (DC) на сетке должно было быть положительным, чтобы получить усиление мощности напряжения на смещении пластины около пятнадцати вольт.

Изобретение первого транзистора

С историей сего чудомеханизма связано множество вопросов. Часть из них знакома читателю. К примеру: почему первые транзисторы СССР были PNP-типа? Ответ на этот вопрос кроется в продолжении всей этой истории. Браттен и Х. Р. Мур продемонстрировали нескольким коллегам и менеджерам в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года результат, которых они добились, потому этот день часто упоминается в качестве даты рождения транзистора. PNP-контактный германиевый транзистор работал в качестве речевого усилителя с коэффициентом усиления мощности 18. Это ответ на вопрос, почему первые транзисторы СССР были PNP-типа, ведь их закупили именно у американцев. В 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттен и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора.

Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Bell.

Самые первые транзисторы в Европе

В то же время некоторые европейские ученые загорелись идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре и Генрих Велькер, работавшие в институте Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на меньшинстве которые они назвали «транзистором». Поскольку Bell Labs не публиковал транзистор до июня 1948 года, транзистор считался независимо разработанным. Впервые Mataré наблюдала эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзисторы были коммерчески изготовлены для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на радиостанции в Дюссельдорфе была продемонстрирована твердотельная радиоприемник с четырьмя транзисторами.

Bell Telephone Laboratories нуждалось в названии для нового изобретения: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode и Iotatron были рассмотрены, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирсом, был явным победителем внутреннего голосования (частично благодаря близости, которую инженеры Белла разработали для суффикса «-истор»).

Первая коммерческая линия по производству транзисторов в мире была на заводе Western Electric на Union Boulevard в Аллентауне, штат Пенсильвания. Производство началось 1 октября 1951 г. с точечного контактного германиевого транзистора.

Дальнейшее применение

Вплоть до начала 1950-х этот транзистор использовался во всех видах производства, но все еще существовали значительные проблемы, препятствующие его более широкому применению такие, как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.

Шокли часто обвиняли в плагиате из-за того, что его работы были очень приближены к трудам великого, но непризнанного венгерского инженера. Но адвокаты Bell Labs быстро уладили эту проблему.

Тем не менее Шокли был возмущен нападками со стороны критиков и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом всей великой эпопеи по изобретению транзистора. Всего несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый тип транзистора, обладающего очень своеобразной «бутербродной структурой». Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система точечного контакта, и в итоге именно она начала использоваться во всех транзисторах 60-х годов ХХ столетия. Вскоре она развилась в аппарат биполярного перехода, ставший основой для первого биполярного транзистора.

Статический индукционный прибор, первая концепция высокочастотного транзистора, был изобретен японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году и, наконец, смог создать экспериментальные прототипы в 1975 году. Это был самый быстрый транзистор в 80-е годы ХХ столетия.

Дальнейшие разработки включали в себя приборы с расширенным соединением, поверхностно-барьерный транзистор, диффузионный, тетродный и пентодный. Диффузионный кремниевый «меза-транзистор» был разработан в 1955 году в Bell и коммерчески доступен Fairchild Semiconductor в 1958 году. Пространство было типом транзистора, разработанного в 1950-х годах как улучшение по сравнению с точечным контактным транзистором и более поздним транзистором из сплава.

В 1953 году Филко разработал первый в мире высокочастотный поверхностно-барьерный прибор, который также был первым транзистором, подходящим для высокоскоростных компьютеров. Первое в мире транзисторное автомобильное радио, изготовленное Philco в 1955 году, использовало поверхностно-барьерные транзисторы в своей схеме.

Решение проблем и доработка

С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.

Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор был впервые запатентован Юлисом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (транзисторы с полевым эффектом перехода [JFET]) были разработаны позднее, после того как эффект транзистора наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, сразу же после истечения двадцатилетнего патентного периода.

Первым типом JFET был статический индукционный транзистор (SIT), изобретенный японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. SIT — это тип JFET с короткой длиной канала. Полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) из металла-оксида-полупроводника, который в значительной степени вытеснил JFET и оказал глубокое влияние на развитие электронной электронной техники, был изобретен Дауном Кахнгом и Мартином Аталлой в 1959 году.

Полевые транзисторы могут быть устройствами с мажоритарным зарядом, в которых ток переносится преимущественно мажоритарными носителями или устройствами с носителями меньших зарядов, в которых ток в основном обусловлен потоком неосновных носителей. Прибор состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или отверстия поступают из источника в канализацию. Концевые выводы источника и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, применяемого через клеммы затвора и источника. Этот принцип работы дал начало первым всеволновым транзисторам.

Все полевые транзисторы имеют клеммы источника, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и базе BJT. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый терминал, называемый корпусом, базой, массой или субстратом. Этот четвертый терминал служит для смещения транзистора в эксплуатацию. Редко приходится делать нетривиальное использование терминалов корпуса в схемах, но его присутствие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы. Размер ворот, длина L на диаграмме, — это расстояние между источником и стоком. Ширина — это расширение транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. в/из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 до 30 ГГц.