Тема 12 Полевой транзистор с изолированным затвором (мдп – транзистор)

§ 12.1 Назначение, устройство и принцип работы

Этот транзистор имеет структуру металл – диэлектрик – полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 12.1,а) и с встроенным каналом (рисунок 12.1,б). Если основой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл - окисел - полупроводник).

а) б)

Рисунок 12.1 Структура МДП ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами

Транзистор с индуцированным каналом имеет области истока n⁺ и стока n⁺, которые выведены путем металлизации через отверстие в окиси кремния на контакты - исток и сток. На слой двуокиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затвором. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектриком, Если на металлическую часть затвора подать положительное напряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в

полупроводниковой области канала. С возрастанием положительного напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхностный слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, соединяющий исходные n⁺-области истока и стока. Поэтому уменьшается сопротивление материала между истоком и стоком, что ведет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электростатической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в

78

полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и структура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подобную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии создают слаболегированный канал c проводимостью n^--типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряжения на затворе (рисунок 12.1, б) ток между истоком и стоком определяется сопротивлением n^--канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда в канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, потому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 12.2 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с индуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами.

Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи описывается следующим выражением:

I_C

A[UЗИ - U ЗИ ПОР]² при UCИ > (U ЗИ - U ЗИ

ПОР

) .

( 12.1 )

Здесь А - постоянный коэффициент; U_{ЗИ ПОР} - напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа проводимости начинается лишь при достижении напряжения

UПОР.

Рисунок 12.2 Характеристики прямой передачи МДП ПТ.

79

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 12.3,а, со встроенным каналом - на рисунке 12.3, б.

В области U_CИ < |U_ЗИ - U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока

I_C = 2A[(U_3И - U_зИпоР)U_сИ - 0,5 U ² _И] . ( 12.2 )

Уравнение (12.2) описывает восходящие ветви выходной характеристики Входное сопротивление МДП-транзистора из-за наличия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² - 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емкостью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоом. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость - десятые доли пикофарад.

а) б)

Рисунок 12.3 Выходные характеристики ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

80