2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

Аббревиатура МДП обозначает структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Очень часто в качестве диэлектрика используется окисел (в частности, двуокись кремния SiO₂), поэтому в литературе нередко встречается термин МОП-транзистор (металл-окисел-полупроводник).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа.

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис.3.

Рис. 3. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором (p-каналом)

а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением (то есть слаболегированного), который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может составлять всего несколько микрон. 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 двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника.

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

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (U_ЗИпор), которое называют пороговым напряжением.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 3, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой (о том, что это такое - несколько позже) – канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 3 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 проводимостью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Кристаллическая пластинка слаболегированного кремния n- или p-типа, являющаяся основой для изготовления транзистора, называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с противоположными типами электропроводности. Одна из этих областей используется как исток И, другая – как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой области тонким слоем двуокиси кремния. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами (рис.4). Подложку обычно соединяют с истоком. Так как высоколегированные p-области истока и стока с полупроводником образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока I_С.

Рис.4. Устройство МДП-транзистора с индуцированным (а) и встроенным каналом (б).

Таким образом, в исходном состоянии токопроводящий канал между истоком и стоком в приборе отсутствует.

При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле затвора через диэлектрик SiO₂ проникает на некоторую глубину в приконтактный слой подложки, выталкивает из него основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные носители (дырки), то есть вызывает обеднение приконтактного слоя электронами проводимости и обогащение его дырками. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым напряжением затвора U_ЗИпор, в приконтактном поверхностном слое подложки начинается смена типа электропроводности с электронной на дырочную (рис.5,а), при этом инверсный слой (индуцированный канал) и подложка разделяются обедненным слоем, который представляет собой не что иное, как запирающий слой обычного p-n перехода (рис. 3,б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе в подложке индуцируется токопроводящий канал p-типа, соединяющий исток со стоком (рис.5,б).

Смена одного типа проводимости на другую под действием сил электрического поля называют инверсией электропроводности.

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к увеличению толщины канала и концентрации дырок в нем, что вызывает увеличение проводимости канала в целом.

Ðèñ. 5. МДП-транзистор с индуцированным каналом.

а – пороговый режим; б – образование индуцированного канала

Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n переходом, у которых увеличение напряжения затвора приводит к сужению канала и его ликвидации, работают в режиме обеднения.

Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного тип работают в режиме обогащения.

Выходные статические характеристики. На рис. 6,а показано семейство статических выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом p-òèïà I_C =  (U_СИ) при U_ЗИ = const и U_ЗИ  U_СИпор.

При малых значениях U_СИ ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ на рис. 6,а). Тангенс угла наклона этого участка прямо пропорционален проводимости открытого канала. В работающем транзисторе по каналу течет ток I_К  I_С (он обусловлен дрейфом дырок от истока к стоку), поэтому напряжение между затвором и каналом в различных поперечных сечениях канала оказывается неодинаковым, а изменяется от U_ЗИ вблизи истока до U_ЗИ – U_СИ вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше вблизи стока.

При напряжении насыщения U_СИнас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные характеристики смещаются в область бóльших токов стока (см. рис. 6, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Рис. 6. Статические стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой p-n перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Пробой p-n перехода имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно из кремния. При этом на пробивное напряжение U_СИпроб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться U_СИпроб (см. рис 6, а)

Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния около 0,1 мкм. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзистора велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Статические характеристики передачи представляют собой зависимости I_С = U_ÇÈ при U_СИ = const. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U_ЗИпор (см. рис. 6,б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (см. рис. 6,а). Это приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом.

У этого типа транзистора токопроводящий канал (рис. 3,б) создают ("встраивают") технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя, соединяющего исток со стоком. В зависимости от электропроводности подложки канал может быть сделан как n-, òàê è p-òèïà.

Во встроенном канале ток стока протекает при нулевом напряжении на затворе. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет притягивать из подложки дырки и удалять из встроенного канала электроны, то есть будет создавать обеднение канала основными носителями и вызывать уменьшение его общей проводимости. При некотором пороговом напряжении U_ЗИпор канал меняет электропроводность с электронной на дырочную и перестает существовать как таковой, то есть I_С  I_К = 0. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами) и его общая проводимость будет увеличиваться.

Все остальные процессы в канале ничем не отличаются от процессов, происходящих в индуцированном канале.

Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока вызывает увеличение тока стока и распределенного вдоль канала положительного напряжения U_СИ > 0. При определенном напряжении стока U_СИнас происходит полное обеднение и условное перекрытие стокового участка канала, то есть наступает режим насыщения. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-òèïà изображены на рис. 5. (*****)

В связи с трудностями технологического характера МДП-транзистора со встроенным каналом в настоящее время пока не нашли широкого применения.

У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольтамперные характеристики и, следовательно, на параметры транзистора. По своему воздействию на проводимость канала положка может выполнять функцию второго затвора. Несмотря на слабое управляющее действие подложки (второго затвора) это свойства используется в ряде схем. При этом напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы p-n переход исток–подложка был включен в обратном направлении, что приводит к его расширению и вызывает уменьшение исходной проводимости и тока насыщения канала.

Далее идет материал для Пособия и в лекцию не включается.

3. Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току

Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току приведена на рис. 5, а. Активные свойства транзистора учтены с помощью генератора тока – Su_зи , зашунтированного внутренним дифференциальным сопротивлением прибора R_i .

Сопротивления r_и и r_с представляют собой сопротивления участков полупроводника, заключенного между контактом соответствующего электрода и областью канала. Эти сопротивления относительно малы и на эквивалентной схеме условно показаны штриховыми линиями. Затвор можно изобразить в виде двух резисторов R_зи и R_зс , имеющих большие сопротивления и отражающих сопротивления утечки затвора. На рис. 5, а они изображены штриховыми линиями, так как их шунтирующим действием можно пренебречь. Емкость С_з – это распределенная по каналу между истоком и затвором емкость затвора. Она включена последовательно с усредненным сопротивлением канала R_к.ср = R_к/2 , где R_к – сопротивление канала.

В полевых транзисторах с подложкой емкость С_з замыкается на подложку через малое сопротивление поперечного сечения канала и большую емкость канал–подложка С_п  С_з, поэтому ее прямо соединяют с источником (через подложку, см. рис. 5, б).

Элемент С_сз – это распределенная по каналу емкость, соединяющая сток с затвором (то есть проходная емкость). С учетом распределения этой емкости вдоль канала, ее величину определяют С_сз  С_сз/2.

Емкость С_си – это в основном емкость между стоком и заземленной подложкой.

Если опустить второстепенные элементы, не оказывающие существенного влияния на работу полевого транзистора, получим упрощенную эквивалентную схему, приведенную на рис. 5, б.

Важнейшим параметром полевого транзистора с изолированным затвором, отражающим его усилительные свойства, является крутизна характеристики S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при неизменном напряжении на стоке

()

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания