5.2: Перемикання FET

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 5.1: польові транзистори
- 5.3: Розрахунки FET

Marc Baldo
Massachusetts Institute of Technology via MIT OpenCourseWare

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

У цифрових схемах ідеальний транзистор має два стани, ON і OFF, обрані потенціалом, прикладеного до затвора. У вимкненому стані канал замкнутий на потік електронів навіть в тому випадку, якщо між витоком і зливним електродами застосовується зміщення. Щоб закрити канал, затвор повинен перешкоджати інжекції електронів з джерела. Для прикладу розглянемо молекулярний транзистор на малюнку 5.2.1. Тут ми дотримуємося конвенції FET і вимірюємо всі потенціали щодо заземленого контакту джерела. Для зміщення затвора через молекулу протікає $V_{GS}< \sim 6.2V$ невеликий струм. Але для $\sim 6.2V < V_{GS}< \sim 6.4V$ FET увімкнено, а канал є провідним.

Знімок екрана 2021-05-12 о 22.26.03.png — Малюнок $\PageIndex{1}$ : $I_{DS} - V_{GS}$ Характеристики транзистора, що використовує молекулу Buckyball C60. При рівновазі хімічні потенціали джерела та стоку знаходяться на -5еВ, а LUMO молекули - на -4.7eV. Різні електростатичні ємності в пристрої маркуються. У міру збільшення потенціалу воріт LUMO штовхається нижче. При приблизно $V_{GS} = 6.3 V$ , він виштовхується в резонанс з контактами джерела і зливу і струм різко зростає. Ширина LUMO визначає різкість резонансу. Примітка 'aF' є символом атто Фарад ( $10^{-18} F$ ).

Як показано на малюнку 5.2.2, переходи набагато більш поступові, якщо рівень молекулярної енергії ширше. Точно так само підвищення температури може також розмивати комутаційні характеристики.

Скріншот 2021-05-12 о 22.32.00 png — Рисунок $\PageIndex{2}$ : Порівняння комутаційних характеристик молекулярних транзисторів з широким і вузьким енергетичними рівнями. Зверніть увагу на різні поточні шкали.

Походження перемикання FET пояснено на малюнку 5.2.3. Потенціал затвора діє на зсув енергетичних рівнів в молекулі щодо контактних хімічних потенціалів. Коли рівень енергії штовхається між собою $\mu_{1}$ і $\mu_{2}$ електрони можуть бути введені з джерела. Відповідно, спостерігається збільшення струму. Подальше збільшення потенціалу затвора виштовхує рівень енергії з резонансу, і струм знову зменшується на ~ 6,4 В.

Скріншот 2021-05-12 о 22.34.10.png — Малюнок 5.2.1. Зовнішній резонанс розриву провідності відкривається, оскільки для витягування молекулярного рівня між джерелом та стіком хімічних потенціалів потрібно додаткове зміщення джерела-стоку.