5.4. Польові транзистори з ізольованими затворами

На відміну від ПТ з керувальним переходом у ПТ з ізольованими затвором між металевим затвором і напівпровідником є прошарок діелектрика, тобто формується структура: метал – діелектрик – напівпровідник.

Є два різновиди МДН-тран­зисторів: з наведеним (індукованим) та вбудованим каналами (рис. 5.6). У процесі окиснення на поверхні пластинки напівпроводника утворюється тонкий (0,2...0,3 мкм) шар двооксиду кремнію. Через створи у діелектрику в тілі підкладки створюються дві сильнолеговані ділянки провід­ністю, протилежною провідності підкладки.

a

б

Рис.5.6. Структури МДН – транзисторів: а – з індукованим n-каналом; б – з вбудованим n-каналом;

Одержані ділянки утворюють витік S і стік D, віддаль між якими близько 5...10 мкм. На двооксид крем­нію між витоком і стоком наносять металевий прошарок з виводом, що використовується як затвор G. Діелектрик між затвором і наведеним або вбудованим каналом запобігає протіканню струму в колі затвора будь-якої полярності напруги на затворі. Підкладка в робочому режимі з’єднується з витоком, однак може бути використана як додатковий керувальний електрод.

У МДН-транзисторах з наведеним каналом, якщо немає напруги на затворі (U_GS = 0), струм стоку дорівнює нулю за будь-якої полярності напруги між витоком та стоком. Це обумовлено тим, що між витоком та стоком сформовано два ввімкнені зустрічно р-n‑переходи. Один з них завжди обмежує струм стоку на рівні зворотного струму р-n‑переходу.

Струм стоку не зміниться, якщо на затвор транзистора із структурою n⁺-р-n⁺ (рис. 5.7, а) подати від’ємну відносно витоку напругу. За такої полярності напруги U_GS дірки з підкладки втягуються в поверхневий шар, але це не змінює загальну структуру. Два р-n‑переходи залишаються ввім­кненими зустрічно.

Зовсім інші процеси відбуваються, якщо на затвор відносно витоку подається позитивна напруга (для транзисторів з n-підкладкою – негативна). При цьому основні носії заряду р-підкладки виштовхуються з поверхневого шару під затвором, а неосновні електрони навпаки втягуються. При деякій позитивній напрузі на затворі, яка називається пороговою (U_GST), у поверхневому шарі між витоком і стоком відбувається інверсія провідності, тобто електронів станє більше, ніж дірок. У результаті створюється тонкий канал інверсійного шару, товщина якого і питома провід­ність збільшуються із зростанням напруги на затворі. Тепер сильнолеговані n-ділянки витоку та стоку з’єднуються тонким n-каналом, що забез­печує появу струму стоку I_D. Його залежність від напруги на затворі відображає стокзатворна характеристика (рис. 5.7, а). Вихідні характеристики подані на рис. (5.7, б).

Умовне графічне позначення МДН-транзисторів з індукованими n- і p-каналами показано на рис. (5.7, в).

У МДН-транзисторах із вбудованим каналом тонкий поверхневий канал між витоком і стоком створюється штучно або виникає природно вна­слідок контактних явищ на межі напівпроводника з діелектриком (рис. 5.6, б).

a

б

в

Рис. 5.7. МДН-транзистори з індукованими каналами: а – стокзатворна характеристика; б – вихідні характеристики; в – умовне графічне позначеннТип провідності каналу збігається з типом провідності витоку та стоку. Сильнолеговані області n⁺ витоку та стоку з’єднуються тонким n-каналом, що забезпечує наявність початкового струму стоку I_DSS. Його залежність від напруги на затворі відображає стокзатворна характеристика (рис. 5.8, а).

За наявності напруги між витоком і стоком (U_DS ¹ 0) струм у колі стоку буде протікати навіть у разі нульового зміщення на затворі U_GS = 0.

Р

a

б

в

ис.5.8. МДН-транзистори із вбудованим каналом: а – стокзатворна характеристика; б – вихідні характеристики; в – умовне графічне позначення;

Якщо до затвору відносно витоку і підкладки прикласти від’ємну напругу, то дірки з підкладки будуть втягуватися в канал, а електрони виштовхуватися. Провідність каналу, позбавленого частини електронів, зменшується, в результаті чого струм стоку спадає. Такий режим називають режимом збіднення. Якщо напруга на затворі досягає значення напруги відсікання U_GS = U_GS(off), вбудований канал зникає, і струм стоку дорівнює нулю (рис.5.8, а). Позитивне зміщення на затворі U_GS > 0 зумов­лює приплив у канал електронів, внаслідок чого він розширюється, а струм стоку збільшується. Такий режим роботи МДН-транзистора називають режимом збагачення.

Параметри ПТ з ізольованим затвором у першому наближені такі, як і в транзисторах з керувальним р-n‑переходом [див. формули (5.3) – (5.6)]. За зовнішнім виглядом вихідні ВАХ МДН-транзисторів аналогічні однойменним характеристикам ПТ з керувальним р-n‑переходом. З відомих уже причин ці характеристики мають пологі ділянки.

Транзистори з вбудованим каналом працюють як у режимі збіднення, так і в режимі збагачення, а транзистори з індукованим каналом – лише в режимі збагачення. Тому перші називають транзисторами збідненого типу, а другі – збагаченого.

Оскільки струму стоку за умови нульового зміщення на затворі немає, а полярності напруги на затворі та стоці в МДН-транзисторі з індукованим каналом однакові, то створюються сприятливі передумови для побудови економічних імпуль­сних та цифрових схем. Використовуючи МДН-транзистори в аналогових пристроях, орієнтуються на їхній дуже великий вхідний опір, зумовлений прошарком діелектрика.