Применение эффекта поля
Полевой транзистор (ПТ) был изобретен за много лет до классических работ Бардина, Браттэна, Пирсона и Шокли конца 40-х годов, приведших к созданию точечного и биполярного транзисторов. Еще в 1925 и 1926 гг. Дж. Е. Лилиенфельд подал заявки в патентные бюро Канады и США, озаглавленные «Метод и прибор управления электрическими токами» [1], в которых он предложил полупроводниковый прибор с управляющим электродом. В 1935 г., независимо от Лилиенфельда, О. Хейл [2] описал тонкопленочный полевой прибор с одним и двумя затворами. Серьезные исследования в этом направлении не были осуществлены в то время из-за недостаточного уровня развития физики поверхности полупроводников.
Работы, выполненные в лабораториях «Бэлл Телефон» в конце 40-х годов, были первоначально направлены на создание полевого прибора. Однако результаты, полученные Шокли и Пирсоном [3] в 1948 г., разочаровали исследователей. В экспериментах использовались тонкие германиевые пленки, изолированные от управляющего электрода (затвора) тонкой пленкой слюды. Изменение проводимости германия в функции потенциала затвора регистрировалось с помощью двух электродов, присоединенных к образцу. Наблюдавшаяся модуляция проводимости была значительно меньше ожидаемой, поскольку большая часть («90%) индуцированного заряда захватывалась поверхностными состояниями. В результате этих экспериментов, а также вследствие изобретения точечных и биполярных транзисторов интерес к исследованию приборов с полевым управлением несколько угас, однако проведенная работа явилась большим вкладом в развитие физики поверхностных явлений.
В 1952 г. Шокли [4] дал теоретическое описание активного прибора нового типа, названного им униполярным полевым транзистором. Принцип действия его, в отличие от биполярного транзистора, основан на модуляции тока основных носителей.
Модуляция тока осуществлялась изменением толщины проводящего канала путем расширения или сужения обедненной области р-n-перехода. Вредное действие поверхностных ловушек было исключено тем, что проводящий канал располагался достаточно далеко от поверхности полупроводника.
Основным преимуществом этого прибора являлось высокое входное сопротивление за счет включения управляющего р-n перехода в запорном направлении. Однако трудности изготовления униполярного транзистора при существовавшем уровне техники были весьма значительными,- и несмотря на то, что вскоре после опубликования работы Шокли были описаны приборы, изготовленные на кремнии и германии, широкого практического применения они не нашли. Ситуация изменилась с появлением технологии маскирования, диффузии и эпитаксиального наращивания, позволившей изготовлять качественные полевые приборы с хорошей воспроизводимостью параметров.
Интерес к полевым транзисторам с изолированным затвором оживился после успешных экспериментов Аталлы и др. [5] по пассивации поверхности кремния наращиванием слоя окисла. В этих опытах была получена достаточно низкая плотность поверхностных состояний, ответственных за захват заряда, наведенного управляющим электродом. В 1960 г. Канг и Аталла [6] предложили использовать структуру металл — окисел — полупроводник (МОП), в которой металлический электрод управлял проводимостью между двумя обратно смещенными диодами, расположенными на поверхности полупроводника. Этот прибор, названный МОП-транзистором, в дальнейшем был усовершенствован Хофштейном и Хайманом [7], которые описали транзисторы, работающие в режиме обогащения или обеднения, в зависимости от напряжения, на затворе. Большой вклад в развитие теории полевого транзистора был сделан Иантоллой, Моллом и Са [8, 9].