Транзисторы с изолированным затвором (мдп-транзисторы).

В этих транзисторах затвор отделен от полупроводника тонким слоем диэлектрика (0,1-0,2 мкм), в качестве которого чаще всего используется диоксид кремния (МОП-транзисторы). Аббревиатуры МДП и МОП показывают чередование слоев затвора: металл – диэлектрик – полупроводник и металл – оксид – полупроводник

У стройство МДП-транзистора с индуцированным n-каналом показано на рис.26а. На кремниевой подложке p-типа созданы сильно легированные области истока и стока n⁺-типа на расстоянии L. В исходном состоянии канал отсутствует и между этими областями нет проводимости, т.к. их разделяет два встречно включенных p-n-перехода (заштрихованные области на рис.26а). Подложка обычно соединяется с истоком, но может иметь также отдельный вывод, как показано на рис.22в, и служить вторым управляющим электродом.

При подаче положительного напряжения на затвор под ним образуется слой, обедненный дырками, и с увеличением напряжения толщина этого слоя возрастает. Электроны при этом притягиваются к поверхности и их поверхностная концентрация n_s растет. При некотором значении U_ЗИ, которое называется пороговым U_ПОР, поверхностные концентрации электронов и дырок выравниваются n_s=p_s=n_i. При U_ЗИ>U_ПОР происходит инверсия проводимости и под затвором образуется тонкий слой, в котором основными носителями становятся электроны – образуется канал, соединяющий области стока и истока. С увеличением напряжения U_ЗИ растет заряд электронов притянутых к поверхности, проводимость канала увеличивается. Этот заряд сосредоточен в очень тонком слое, толщиной 1-2нм. При подаче на сток напряжения (U_CИ>0) в канале возникает ток I_С и вдоль канала появляется падение напряжения U(x), величина которого зависит от расстояния x до истока. При этом между затвором и каналом будет действовать уже разность напряжений U_ЗИ – U(x), и плотность поверхностного заряда уменьшается по направлению к стоку. С увеличением напряжения U_CИ растет ток стока и одновременно падает плотность поверхностного заряда на выходе канала. При U_СИ =U_НАС разность U_ЗИ – U_СИ= U_ПОР, плотность заряда на выходе обращается в ноль и канал перекрывается, ток достигает максимального значения. Таким образом,

U_НАС= U_ЗИ –U_ПОР (61)

При дальнейшем увеличении U_CИ все избыточное напряжение U_СИ -U_НАС падает на перекрытом участке, ток практически не изменяется, длина перекрытого участка ΔL при этом увеличивается и длина канала несколько уменьшается (рис.26б).

В транзисторах со встроенным каналом канал существует в исходном состоянии, и они могут работать при разной полярности U_ЗИ при U_ЗИ>-U_ПОР= U_ОТС.

Устройство и принцип действия транзисторов с p-каналом аналогичны, лишь тип проводимости областей на рис.26 и полярность прикладываемых напряжений меняется на противоположный.

Вольтамперные характеристики МДП-транзисторов.

В МДП-транзисторах канал образован избыточными носителями, заряд которых не скомпенсирован. Плотность поверхностного заряда Q_s можно считать равным нулю при U_ЗИ=U_ПОР. При U_СИ=0

Q_s=C₀(U_ЗИ-U_ПОР),

где C₀=εε₀/d – удельная емкость затвора (d – толщина диэлектрика).

При 0<U_СИ<U_НАС Q_s=C₀(U_ЗИ-U_ПОР- U(x))

Ток стока пропорционален напряженности поля E(x):

I_C= –μ_sQ_sWE(x)= μ_sWC₀(U_ЗИ-U_ПОР- U(x)) dU /dx,

где μ_s - поверхностная подвижность носителей (μ_s меньше объемной подвижности μ), W – ширина канала. Интегрируя это уравнение в пределах 0≤x≤L, 0≤U≤U_СИ получаем

(U_СИ≤U_НАС), (62)

где – удельная крутизна.

Начальные крутые участки ВАХ используются в ключевых (импульсных) схемах. При U_СИ<<U_ЗИ–U_ПОР можно пренебречь квадратичным членом в выражении (62) и получить линейную зависимость:

I_С=b(U_ЗИ – U_ПОР)U_СИ

Коэффициент при U_СИ называется проводимостью канала, а обратная величина – сопротивлением канала:

(63)

При U_СИ≥U_НАС подставляя (61) в (62), получаем

(64)

Н а рис.27а показано типичное семейство выходных характеристик МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналом, раличающихся лишь значением порогового напряжения (1В и –3В).

Штриховая линия на рис.27а отделяет крутую область от пологой. Значения U_ЗИ, приведенные в скобках, соответствуют транзистору со встроенным каналом. Из начала координат характеристики выходят с разным наклоном, тангенс угла наклона в соответствии с формулой (62) пропорционален U_ЗИ –U_ПОР. В пологой области ВАХ неэквидистантны - с ростом U_ЗИ растет приращение тока стока при одинаковом шаге U_ЗИ в соответствии с формулой (64). Наклон характеристик в пологой области объясняется уменьшением сопротивления канала при расширении перекрытой части.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики транзисторов с индуцированным и встроенным каналом для области насыщения показаны на рис.27б. Они совпадают по форме, но сдвинуты по оси U_ЗИ на разность пороговых напряжений.