5.1.3.1 Устройство и принцип действия

Упрощенная структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рисунке 5.5. В полупроводнике p-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две n⁺ -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n-переходами, образованными на границах n⁺- и p-областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения U_СИ, то в цепи потечет очень малый ток, обусловленный обратным током p-n-переходов.

Рисунок 5.5 – структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа

Если к металлическому затвору приложить положительное напряжение относительно подложки, то под действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубину полупроводника. В результате этого концентрация дырок в приповерхностном слое уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной электронной электропроводностью, отделенный от полупроводника p-типа областью, обедненной свободными носителями заряда, соединяет n⁺-области стока и истока, т. е. служит каналом.

Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения U_СИ, то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (U_{ЗИ пор}), в цепи сток – исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением электронов. Так как электроны должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения U_СИ следует подключать положительным полюсом к стоку, а отрицательным – к истоку. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока поперечное электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего концентрация электронов в канале у истока больше, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе концентрация электронов в инверсном слое в будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения. Следовательно, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому их иногда называют полевыми транзисторами обогащенного типа.

На рисунке 5.6 даны условные графические обозначения МОП-транзисто­ров с индуцированным каналом.

а) б)

Рисунок 5.6 Условное графическое обозначение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

5.1.3.2 Статические характеристики моп-транзисторов с индуцированным каналом

На рисунке 5.7 показаны статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзи­стора с индуцированным каналом p-типа. Эти характеристики снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое напряжение.

Рисунок 5.7 – выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа

Если бы с ростом напряжения U_СИ ширина индуцированного канала не изменялась, его сопротивление оставалось бы постоянным, а зависимость I_C = f (U_СИ) – линейной. Но при уве­личении тока стока увеличивается падение напряжения на сопротивлении канала, вследствие чего он вблизи стока сужается. Когда ток стока достигает определенного значения, канал вблизи стока почти перекрывается и происходит ограничение тока стока, как в транзисторах с управляющим p-n-переходом.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением ширины канала и его электропроводности.

Анализ показывает, что стоковые характеристики МДП-транзисторов описываются следующими аналитическими зависимостями:

в крутой области

; (6)

в пологой области

. (7)

Здесь – коэффициент (А/В)², именуемый удельной крутизной. Как видно из формулы, она зависит от длины и ширины канала, материала диэлектрика и его толщины, а также от подвижности носителей в канале..

Статические характеристики передачи, или стокозатворные характеристики МОП-транзи­стора с индуцированным каналом, выражают зависимость I_C = f (U_ЗИ) при U_СИ = const. Эти характеристики (рисунок 5.8) обычно приводятся для режима насыщения и описываются уравнением (7).

Рисунок 5.8 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-тран­зистора с индуцированным каналом p-типа

5.1.4 МОП-транзисторы со встроенным каналом