5.1.2. Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ, MOSFET)  это разновидность полевого транзистора, затвор которого отделен от канала слоем высокоомного диэлектрика. Наличие диэлектрика обеспечивает очень высокое входное сопротивление ПТИЗ (10¹²…10¹⁴ Ом). Поскольку затвор гальванически отделен от канала, и входной ток (ток через контакт затвора) практически отсутствует, то говорится, что ПТИЗ, также как и ПТУП, управляется не током, а напряжением.

В структурах ПТИЗ металлический контакт затвора З обычно сформирован на слое диэлектрика SiO₂. В данном случае транзисторы имеют аббревиатуру МОП (металл- окисел-полупроводник).

Токопроводящий канал формируется непосредственно под слоем диэлектрика, т.е. он локализован в тонком приповерхностном слое полупроводника (планарная структура).

В зависимости от того, как образуется проводящий канал, ПТИЗ выпускают двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Встроенный канал

Встроенный канал (рис. 5.4, а) формируется в процессе реализации метода фотолитографии (см. тему 6). При наличии канала достаточно приложить напряжение U_си необходимой полярности (потенциал, притягивающий основные носители канала!), чтобы носители заряда начали дрейфовать (перемещаться) от истока И к стоку С под действием возникающего электрического поля.

Вывод подложки П обычно заземлен и может быть гальванически соединен (проводом) с истоком.

а) б) в)

Рис. 5.4. Конструкция ПТИЗ со встроенным каналом n-типа (а), семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

Поскольку концентрация доноров N_Д во встроенном канале меньше, чем концентрация N_A акцепторов в подложке, канал имеет большее электрическое сопротивление, чем подложка. Обратим внимание, что n-канал отделен от подложки протяженным (от истока к стоку) изолирующим слоем p-n-перехода. Из-за разницы концентраций доноров и акцепторов данный р-n-переход локализован, как и в ранее рассмотренных структурах, главным образом, в области канала.

Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 5.4, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.

Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. U_зи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения U_си на стоке (рис. 5.4, б) выходной ток I_с растет почти линейно от нуля до точки 1 (омическая зона ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.

По мере увеличения напряжения рост тока I_с практически прекращается (точка 2) – при напряжении U_{си нас} достигается насыщение тока (геометрическое место точек U_{си нас} представлено пунктиром). Проявляется так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения U_си.

Причина дальнейшего ограничения тока I_с связана с перекрытием канала в области стока. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n-переход ″внедряется″ в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток U_си (рис. 5.4, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока I_с растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n-перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Допустим, транзистор находится в режиме работы, характеризуемым точками 2 - 3 (рис. 5.4, б: U_зи = 0, U_си = 10 B, I_с = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал _з < 0 (U_зи  0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n-канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n- канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n-канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении U_си ток стока I_с уменьшается (рис. 5.4, б, в).

Вследствие этого серия стоковых характеристик при U_зи  0 располагаются ниже кривой, соответствующей U_зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n-типа), называют режимом обеднения канала.

При подаче на затвор З напряжения U_зи  0 электростатический заряд + затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р-типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n-канала возрастает, и при фиксированном напряжении U_си ток I_с увеличивается. Поэтому при U_зи  0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U_зи = 0 (рис. 5.4, б).

Семейство (серия) стоковых характеристик ПТИЗ со встроенным каналом n-типа показано на рис. 5.4, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Различие заключается в том, что для ПТИЗ входное напряжение U_зи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Стоко-затворные характеристики ПТИЗ приведены на рис. 5.4, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n-переходом (рис. 5.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при U_зи 0 (режим обеднения), так и при U_зи  0 (режим обогащения).

Индуцированный канал

Конструкция ПТИЗ с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.5, а. Канал проводимости, обеспечивающий протекание тока за счет движения носителей заряда от истока к стоку, в данной структуре изначально (на заводе) не создается. В связи с этим, обратим внимание, что области истока и стока отделены от подложки p-типа и друг от друга изолирующим слоем p-n-переходов. Другими словами, исток и сток гальванически сейчас не связаны. Очевидно, что приложение напряжения между контактами стока С и истока И не вызовет появления тока стока ввиду отсутствия канала проводимости.

а) б) в)

Рис. 5.5. Конструкция ПТИЗ с индуцированным n-каналом (а), семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

Для того чтобы электроны имели возможность переходить от истока к стоку, необходимо искусственно создать (индуцировать) канал длиной d c проводимостью n-типа, в котором электроны являются основными носителями. Эта возможность может быть реализована за счет так называемого эффекта поля, который заключается в следующем. Подадим положительный потенциал _з на металлический контакт затвора З. Вспомним, что в подложке р-типа имеются как основные носители – дырки, так и неосновные носители – электроны.

Электрическое поле положительного заряда контакта затвора за счет явления электростатической индукции (через слой диэлектрика) силами кулоновского взаимодействия подтягивает электроны из объема подложки под слой окисла, отделяющий металлический контакт З от полупроводника. Заметим, что это же поле отталкивает из-под слоя окисла дырки, заставляя их дрейфовать вглубь р-подложки.

Если подтянувшихся к поверхности электронов будет достаточное количество, то приповерхностный слой полупроводника (под диэлектриком) не только обогатится электронами, но даже изменит тип проводимости: под пленкой окисла образуется канал n-типа, как проводник, который соединит исток и сток, аналогично транзистору ПТИЗ со встроенным каналом.

Другими словами, n-канал образуется (индуцируется) при определенном + потенциале затвора благодаря притягиванию электронов из полупроводниковой подложки р-типа. За счет подтягивания электронов под слоем окисла (под контактом затвора) в приповерхностном слое полупроводника происходит изменение знака проводимости этого приповерхностного слоя. Проводимость образовавшегося канала n-типа возрастает по мере повышения приложенного к затвору напряжения положительной полярности, т.к. все больше и больше электронов подтягивается под слой диэлектрика.

Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения канала электронами, после того, как потенциалом затвора формируется канал соответствующего типа проводимости. Напряжение затвора U_зи.пор, при котором образуется канал необходимого типа, называется пороговым (рис. 5.5, в).

После того, как канал образовался, работу транзистора и его ВАХ следует анализировать так же, как и транзистор со встроенным каналом.

Стоковые характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока I_с осуществляется входным напряжением U_зи полярности, совпадающей с полярностью U_си. Управление транзистором возможно только после того, как сформирован (индуцирован) канал соответствующего типа проводимости, в частности, при U_зи > 3 B.

Стоко-затворные характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.4, в.

Резкое увеличение тока I_с (например, рис. 5.4, б; 5.5, б) на участке III при больших напряжениях U_си связано с лавинным пробоем области p-n-переходов (в областях стока-затвора и сток- подложка) вблизи контакта стока.

Условные обозначения ПТИЗ указаны на рис. 5.6: встроенный n-канал (а) и вывод от подложки (в); встроенный p-канал (б) и вывод от подложки (г); индуцированный n-канал типа (д) и вывод от подложки (ж); индуцированный p-канал (е) и вывод от подложки (з).

Рис. 5.6. УГО ПТИЗ различной конструкции

ПТИЗ представляет собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (кроме И, З, С) является вывод от подложки П (исходной полупроводниковой пластины), выполняющий вспомогательную функцию, например, заземления.