Полевые транзисторы с изолированным затвором (моп-транзисторы)

Но если речь идёт о дискретных транзисторах, то здесь доминируют биполярные транзисторы. Количество МОП-транзисторов в цифровых ИС может достигать нескольких сотен миллионов. Размер МОП-транзистора на настоящий момент составляет менее одного микрометра, и по мере развития технологии его размеры становятся всё меньше. Многие более крупные МОП-транзисторы способны переключать токи до 100 ампер при низком напряжении; при низких токах некоторые МОП-транзисторы способны выдерживать напряжение до 1000 В. Размер подобных МОП-транзисторов может достигать до 1 см2. МОП-транзисторы применяются гораздо чаще полевых транзисторов с управляющим pn-переходом. Однако в настоящее время, когда речь идёт о мощных транзисторах, то чаще применяются биполярные транзисторы.

Также как и у полевых транзисторов, у МОП-транзисторов имеется три электрода: исток, сток и затвор. Однако в отличие от полевого транзистора вывод затвора МОП-транзистора не связан напрямую с кремнием. Затвор МОП-транзистора – металлический или поликремниевый электрод, который нанесён поверх слоя диэлектрика (обычно из двуокиси кремния). Затвор похож на конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП), показанный на рисунке ниже. В заряженном состоянии обкладки конденсатора принимают полярность заряда соответствующего вывода аккумулятора. Нижняя обкладка конденсатора - кремний p-типа, электроны с которого выталкиваются отрицательным (-) выводом аккумулятора в сторону оксида, и притягиваются к верхней положительной (+) обкладке. Избыток электронов вблизи оксида создаёт инверсионный канал под слоем оксида. Здесь также создаётся обеднённая область подложки монолитного кремния.

N-канальный МОП-конденсатор: (а) незаряженный, (b) заряженный.

На рисунке ниже (a) МОП-конденсатор помещён между парой областей с диффузией n-типа на подложке p-типа. При отсутствии заряда и смещения на затворе, участки диффузии N-типа, истоковая и стоковая области остаются электрически развязанными.

N-канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) напряжение смещения на затворе 0 В, (b) положительное напряжение смещения на затворе.

Положительное напряжение смещения, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор поверх слоя оксида принимает положительный заряд. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под слоем оксида формируется инверсная область с избытком электронов. Теперь эта область соединяет области истока и стока N-типа, формируя постоянную область электронной проводимости от истока к стоку. Таким образом, МОП-транзистор, как и полевые транзисторы представляет собой униполярный прибор. Проводимость обеспечивается носителями заряда лишь одного типа. Таково устройство N-канального МОП-транзистора. В подобном варианте при приложении напряжения между истоковой и стоковой областями могут протекать достаточно большие токи.

Описанный выше МОП-транзистор работает в режиме обогащения. Непроводящий, отключённый канал включается посредством обогащения канала под затвором с помощью напряжения смещения. Такой вариант МОП-транзистора является наиболее распространённым.

МОП-транзисторы, как и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током от истока к стоку. Через затвор не проходит постоянный ток. Хотя для заряда ёмкости управляющего электрода затвору требуется начальный толчок тока.

Поперечное сечение N-канального МОП-транзистора показано на рисунке (а) ниже: Дискретные МОП-транзисторы обычно оптимизированы под управление большими токами. Символ N+ указывает на то, что стоковая и истоковая области сильно легированы. Таким образом сокращаются потери на сопротивление при протекании сильного тока от истока к стоку. Символ N- обозначает слабое легирование. Область дырочной проводимости под затвором, между истоком и стоком может быть инвертирована посредством положительного напряжения смещения. Профиль распределения легирующей смеси может представлять собой змеевидный контур на кремниевом кристалле. Таким образом увеличивается область легирования, а соответственно, и номинальный ток.

N-канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

На рисунке выше (b) показано условное обозначение МОП-транзистора с «плавающим» затвором, что указывает на отсутствие непосредственной связи с кремниевой подложкой. Прерывистая линия от истока к стоку указывает на то, что транзистор в отключённом не проводящем состоянии, с нулевым напряжением смещения на затворе. МОП-транзистор является прибором, работающим в режиме обогащения. Обогащение канала происходит при подаче на затвор напряжения смещения. Стрелка соответствует материалу с электропроводностью р-типа, и направлена к каналу n-типа. Это символ N-канального МОП-транзистора. В P-канальных МОП-транзисторах стрелка направлена в противоположную сторону (не показано). У МОП-транзисторов имеется четыре вывода: исток, затвор, сток и подложка. У дискретных МОП-транзисторов исток соединён с подложкой, то есть на его корпусе имеется три вывода. В случае МОП-транзисторов, являющихся частью ИС, подложка является общей для всех транзисторов, за исключением редких случаев намеренной изоляции. При соединении с общей подложкой на кристалле могут быть сделаны дополнительные контактные площадки для соединения с землёй или с цепью подачи напряжения смещения.

N-канальный МОП-транзистор с V-образной канавкой: Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

МОП-прибор с V-образной канавкой (англ. VMOS, на рисунке выше) является улучшенной мощной версией МОП-транзистора с профилем распределения легирующей смеси, способствующим созданию более низкого сопротивления при проходе тока от истока к стоку. Своим названием этот прибор обязан V-образной канавке, благодаря которой увеличивается сечение области между истоком и стоком. Это сводит к минимуму потери и позволяет управлять большими токами. Разновидностью такого прибора является МОП-транзистор с U-образной канавкой (англ. UMOS), промышленное производство которого представляет меньшую сложность.

РЕЗЮМЕ:

МОП-транзисторы – униполярные приборы, т.е. протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (также как и у полевых транзисторов).

МОП-транзисторы, как и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. Напряжение на затворе управляет током от истока к стоку.

За исключением тока утечки, в МОП-транзисторах отсутствует постоянный ток. Однако для зарядки ёмкости управляющего электрода требуется значительный начальный толчок тока.

30 апреля 2009