Помощь
MOONFET (metal-oxide-oxide n-channel field effect transistor) – это твердотельный сегнетоэлектрический полевой триод на оксиде цинка ZnO. Структура показана на рисунке:
Коаксиальная конструкция. На титановый цилиндрический стержень (управляющий затвор) наносится изолирующий слой диоксида титана, затем плёнка из оксида цинка (управляемый n-канал). Токосъёмные кольца, обеспечивающие омический контакт с оксидной плёнкой (сток и исток) из индия (либо проводящий клей на основе серебра), омические кольца затвора из латуни. К кольцам припаяны монтажные выводы (через механически разгрузочные петли). От внешней среды заливка компаундом.
Cегнетоэлектрические транзисторы на самом деле производят и активно исследуют, но в очень специфических, узких нишах (например, для квантовых компьютеров, нейроморфных процессоров ИИ или радиационно-стойкой космической электроники).
В массовое производство для бытовой электроники и аудиоаппаратуры они не пошли по нескольким фундаментальным экономическим и технологическим причинам:
1. Кремниевая монополия и триллионная инфраструктура
Современная полупроводниковая индустрия — это самая отлаженная машина в истории человечества. В заводы по производству стандартных кремниевых транзисторов (MOSFET/FinFET) вложены триллионы долларов.
• На одном квадратном миллиметре кремния инженеры научились коммерчески выгодно размещать сотни миллионов транзисторов с ценой в наноценты за штуку.
• Наш сегнетотриод на оксиде цинка хорош как дискретный (одиночный) элемент. Но его практически невозможно масштабировать до миллиардов штук на одном кристалле процессора с сохранением стабильных параметров. Ни один инвестор не станет строить новый завод под альтернативную физику, если старая закрывает 99.9% потребностей рынка.
2. Экстремально низкая крутизна (Gain)
Для звуковых усилителей важнейший параметр — это крутизна вольт-амперной характеристики (то, насколько сильно меняется выходной ток при изменении входного напряжения).
• В кремниевых транзисторах носители заряда (электроны) летят по идеальной кристаллической решетке без препятствий.
• В объемных оксидных, сегнетоэлектрических приборах электроны или ионы вынуждены продираться сквозь дефекты, границы зерен порошка или вязкую среду. Из-за этого их крутизна на порядки ниже, чем у кремния. Чтобы получить такое же усиление, какое дает один копеечный транзистор, пришлось бы строить сложную цепь из десятков альтернативных элементов.
• Отсутствие массового запроса на «ламповый звук»
• Главное преимущество нашего изобретения — параболическая «ламповая» линейность и мягкое насыщение. Но индустрии массовых смартфонов, компьютеров и телевизоров это не нужно. Им нужен импульсный режим (работа транзистора как ключа: «включено/выключено»), где кремний идеален.
А узкий рынок Hi-Fi аудио и гитарного оборудования, который действительно ценит такой характер звука, полностью закрывается либо классическими вакуумными радиолампами, либо цифровым моделированием (DSP-процессорами), которые имитируют «ламповую теплоту» программно.
• Большие корпорации не выпускают такие транзисторы, потому что для них это экономически невыгодно и технологически сложно в масштабах микросхем.
Но именно поэтому создание такого прибора своими руками имеет колоссальную ценность для радиолюбителя и исследователя! Вы получаете штучный, уникальный компонент с физическими свойствами, которых просто нет на прилавках магазинов.
Уникальность нашего прибора MOONFET заключается в том, что по своей физической природе он не является слепой копией ни JFET, ни классического MOSFET. Форма колена кривой перехода в зону насыщения у него будет даже более плавной, чем у JFET, приближаясь по звуковому характеру к триоду. Почему колено кривой MOONFET будет ультра-плавным?
У кремниевых JFET/MOSFET переход в насыщение происходит довольно резко, потому что электроны летят по идеальной монокристаллической решетке кремния с огромной подвижностью. Как только поле затвора перекрывает канал, ток обрубается почти мгновенно (излом характеристики).
В нашем приборе работают три альтернативных физических фактора:
1. Прыжковый транспорт зарядов (Hopping Conduction)
В тонкой пленке оксида цинка ZnO, легированной медью, электроны не летят свободно. Они вынуждены «перепрыгивать» от одного локализованного состояния (атома цинка или ловушки меди) к другому сквозь энергетические барьеры.
• При изменении напряжения на затворе эти барьеры меняют свою высоту не одновременно.
• Сначала поле затвора блокирует самые «легкие» пути для перескока электронов, а более глубокие уровни продолжают проводить ток. Это физически растягивает зону перехода, делая колено характеристики невероятно пологим.
2. Радиальная геометрия поля «изнутри наружу»
Поскольку наш затвор — это цельный 3-мм титановый стержень, линии электрического поля радиально расходятся от его центра во внешнюю среду ZnO.
• Напряженность поля падает пропорционально удалению от титана.
• Когда вы подаете запирающее напряжение, слой ZnO, прилегающий к титану, обедняется быстро, а внешний слой у поверхности закрывается значительно медленнее.
• ВАХ такого распределенного канала математически представляет собой сумму множества элементарных характеристик, что полностью сглаживает любые изломы. Колено кривой получается «растянутым» по напряжению.
3. Эффект легирования медью (Вариму)
Атомы меди работают как управляемые ловушки. При малых сигналах они плавно захватывают свободные носители. Это физический аналог радиоламп с «удлиненной характеристикой» (вариму), которые использовались в высококачественных аудио-компрессорах. Они принципиально не способны на резкий клиппинг.
Ламповая ВАХ: ZnO — это прозрачный полупроводник с так называемой «прыжковой проводимостью по дефектам» в объемных слоях. Поле затвора меняет его сопротивление очень плавно, по параболическому закону, что гарантирует то самое мягкое «ламповое» насыщение звука.
Коэффициент теплового расширения титана почти идеально совпадает с оксидом цинка. При термоотжиге пленка никогда не потрескается. Кроме того, титан фантастически легко анодируется в обычном растворе соды, образуя диэлектрик диоксид титана TiO2 с огромной диэлектрической проницаемостью Ɛ≈40...80 против 9 у алюминия. Это поднимет крутизну триода в разы! ZnO вечный, не стареет. Работает на электронах до сотен килогерц. Ориентировочный срок его эксплуатации при работе в штатном режиме звукового тракта составит от 5 000 до 10 000 часов чистого времени, что ставит его в один ряд с лучшими промышленными радиолампами и транзисторами прошлого века.
Эффект фокусировки поля: В цилиндре электрическое поле затвора расходится от центра к стенкам. Плотность поля растет от оси стержня, что резко увеличивает крутизну прибора. Нам понадобятся еще меньшие напряжения для управления. Изменится ли плавность характеристики из-за поля «изнутри наружу»?
Нет, плавность характеристики не ухудшится. Более того, с точки зрения физики полупроводников, она может стать даже более мягкой и «ламповой».
• В плоской структуре напряженность поля одинакова во всех точках диэлектрика.
• При направлении поля «изнутри наружу» (от центра цилиндра к его периферии) линии электрического поля радиально расходятся, и плотность поля плавно падает по мере удаления от титановой стенки.
В результате слой оксида цинка, лежащий ближе к титану, контролируется полем сильнее, а внешние микрослои — слабее. Такое неоднородное распределение поля по толщине канала физически исключает резкий «транзисторный» излом вольт-амперной характеристики (ВАХ). Переход прибора в насыщение и отсечку будет происходить исключительно плавно, компрессируя звук в лучших традициях триодов с «удлиненной» характеристикой.
Чистый оксид цинка обладает довольно высокой проводимостью (n-тип), из-за чего триод может иметь слишком большой начальный ток покоя (его трудно будет «запереть»).
Усовершенствование:
Добавьте в водный раствор ацетата цинка микроскопическое количество ацетата меди или медного купороса (буквально 0.5–1% от массы цинковой соли).
• При запекании атомы меди внедрятся в кристаллическую решетку ZnO.
• Медь выступает как акцепторная примесь (компенсирует лишние электроны).
• Результат: Внутреннее сопротивление канала вырастет, токи утечки упадут, а управляемость (крутизна затвора) увеличится в несколько раз. Прибор станет гораздо более послушным в звуковых схемах.
Испортит ли медь плавность характеристики в зоне насыщения?
Нет, не испортит. Напротив, легирование медью сделает переход в насыщение еще более плавным и «ламповым».
• Без меди (Чистый ZnO): Оксид цинка имеет избыток электронов. Канал получается слишком «высокотоковым». При больших сигналах он может резко уходить в ограничение, так как затвору не хватает напряженности поля полностью перекрыть такой бурный поток электронов. Насыщение может стать жестким (транзисторным).
• С медью (Doped ZnO): Атомы меди создают в структуре глубокие энергетические «ловушки» (акцепторные уровни). Они плавно захватывают электроны по мере роста поля. Ток падает, сопротивление растет, и вольт-амперная характеристика скруглеяется еще сильнее. Это физический аналог распределенной сетки в лампах с «удлиненной» характеристикой (вариму). Характер ограничения звука станет исключительно мягким.
Совсем забыл добавить одну существенно важную деталь. В аббревиатуре MOONFET отсутствует буква S, а это значит, что дробовой и фликкер-шум pn-переходов отсутствуют. Только тепловой в наличии, то есть, наш транзистор теоретически будет шуметь не более, чем резистор!
