Лекция 15

15.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом

В полевых транзисторах с изолированным затвором последний отделен от полупроводника диэлектриком, как правило SiO₂ в кремниевых структурах. По краям затвора создаются области проводимости, противоположные подложке, называемы стоком и истоком. Структура такого вида полевого МДП - или МОП - транзистора показана на рис. 15.1.

Рисунок 15.1 - Структура полевого транзистора с изолированным затвором (слева). справа - трехмерное изображение МОП транзистора

При нулевом напряжении U_ЗИ = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Встречно направленные p–n – переходы препятствуют движению электронов от истока к стоку: канал отсутствует. При U_ЗИ > 0 возникающее под затвором электрическое поле будет отталкивать положительные заряды (дырки, являющиеся основными носителями в p–полупроводнике) в глубь полупроводника. При некотором пороговом значении напряжения между стоком и истоком под затвором U_{ЗИ, ПОР} (или V_Т) накапливается достаточный слой электронов. Создается (индуцируется) проводящий канал, толщина которого может составлять 1...2 нанометра и она далее практически не меняется. Удельная проводимость канального слоя зависит от концентрации электронов в нем. Изменяя U_ЗИ , можно менять величину тока стока.

На принципиальных схемах полевой транзистор с индуцированным каналом в соответствии с типом проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.15.2.

Рисунок 15.2 - Схемное обозначение n--канального и р- канального МОП транзистора

Вид ВАХ этого типа транзистора характеризуется тем, что ток возникает при положительных напряжениях u_ЗИ > U_{ЗИ, ПОР} , где U_{ЗИ, ПОР} - напряжение отпирания транзистора (или V_T). Примерный вид стоковых и сток–затворных ВАХ транзистора с индуцированным каналом представлены на рис.15.3.

Рисунок 15.3 - Выходные характеристики n- канального МОП транзистора с индуцированным каналом

Как видно из рис.15.3 все характеристики располагаются при положительных значениях напряжений.

Для ВАХ на рис. 15.3а) характерно нарастание тока стока при увеличении напряжения на стоковой области. Эта область называется линейной областью работы прибора. С увеличением напряжения на стоке наступает момент, когда прямо у стока концентрация подвижного заряда, формируемого затвором Q_n падает до нуля. Это условие соответствует началу отсечки канала и то напряжение на стоке, когда это происходит называется напряжением отсечки U_отс. Электроны из области канала инжектируют в сток, образуя ток I_нас. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке приводит лишь к сдвигу точки отсечки к истоку при постоянном потенциале U_отс в точке отсечки, поэтому ток не увеличивается с увеличением u_СИ . Это область называется областью насыщения.

15.2. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом

Структура такого транзистора показана на рис.15.4. По сравнению с рис. 15.1 здесь между сток-истоковыми областями n+ типа расположена слаболегированная n- область, которая обеспечивает протекание тока между сток-истоковой областью.

Рисунок 15.4 - Структура полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом

Здесь, кроме электродов исток, сток и затвор, имеется еще один электрод (так называемый «подложка»), напряжение на котором также может менять свойства транзистора.

Если напряжение на затворе относительно истока отрицательно, то имеет место явление обеднения канала (уменьшение числа носителей заряда): в данном случае электроны выталкиваются из канала в p - область, что приводит к уменьшению тока через канал и при некотором значении U_{ЗИ, ОТС}. ток падает до нуля; при положительном же напряжении затвор-исток наоборот имеет место обогащение канала электронами, пришедших в канал из областей p и n+, что приводит к увеличению тока через канал. Таким образом этот полевой транзистор может работать и при положительных и при отрицательных значениях напряжения затвор-исток. При этом ток через затвор не протекает, так затвор изолирован от канала.

На принципиальных схемах полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом в соответствии с типом проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.15.5

Рисунок 15.5 - Схемное обозначение n--канального и р- канального МОП транзистора с встроенным каналом

Примерный вид семейств выходных ВАХ данного транзистора изображен на рис.15.6,а; передаточные свойства транзистора показаны на рис. 15.6,б в виде сток–затворной характеристики. Здесь также режим отсечки характеризуется некоторым отрицательным значением U_{ЗИ, ОТС}.

Рисунок 15.6 - Выходные характеристики n- канального МОП транзистора с встроенным каналом

Эти характеристики справедливы для случая, когда электрод подложки соединен с истоком. Если этот электрод используется для управления током стока, то тогда его называют «нижним затвором», причем механизм этого управления аналогичен управлению самого затвора.