1. Принципы работы полевых транзисторов
.1 История создания полевых транзисторов
Идея полевого транзистора впервые была предложена Лилиенфельдом [9] в 1926 - 1928 годах. Эти конфигурации транзисторов не были внедрены в производство по объективным причинам. Реальный работающий прибор был создан в 1960 году. Конструкция транзистора по патенту Лилиенфельда № 1900018 представлен на Рис.1. [10]
Рис.1. Полевой транзистор Лилиенфельда.
В 1935 году О. Хейлу в Англии был выдан патент на полевой транзистор (Рис. 2)
Рис. 2 Схема из патента О. Хейла № 439457. Прототип полевого транзистора с изолированным затвором.
- управляющий электрод (затвор); 2 - тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия; 3 (сток); 4 (исток) - омические контакты к полупроводнику; 5 - источник постоянного тока; 6 - источник переменного напряжения; 7 - амперметр.
В 1952 г. Шокли изобрел полевой транзистор с управляющим электродом. Эта конструкция представляла собой обратно смещенный p-n - переход (см. рис. 3). Конструкция полевого транзистора имела полупроводниковый стержень n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника был применен кремний (Si). p-n-переход был сформирован на поверхности канала с противоположных сторон. p-n-переход формируется таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Основные носители заряда для данного канала - электроны, определяющие проводимость канала текут от истока к стоку. На рис. 3 - это отрицательный электрод.
Рис. 3 Полевой транзистор Шокли.
В 1966 году Мидом была создана и реализована третья конструкция полевых транзисторов (с барьером Шоттки).
В 1963 г. Хофштейн и Хайман разработали полевой транзистора на основе МДП структур. С 1952 по 1970 г.г. эти транзисторы находились еще на лабораторной стадии разработки. В настоящее время эта технология одна из наиболее широко используемых для производства интегральных схем.
1.2 Классификация полевых транзисторов
Как уже упоминалось, полевые транзисторы условно можно разделить на 2 группы. К первой можно отнести транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл - полупроводник, ко второй - транзисторы с управляющим изолированным электродом (затвором), транзисторы МДП или МОП.
Рис.4. Классификация полевых транзисторов
.3Транзисторы с управляющим p - n переходом
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала р - n переходом, смещённым в обратном направлении. Поскольку у полевой транзистор управляется с помощью электрического поля, не с помощью протекающего тока, то он обладает крайне высоким входным сопротивлением порядка сотен ГОм и даже ТОм (биполярный транзистор имеет сотни КОм). Поскольку носителями электрического заряда в полевых транзисторах являются только электроны или только дырки их иногда называют униполярными.
Рис. 5. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Как видно из рисунка транзистор имеет два контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, Кроме этого, у него есть один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 5). Если изменить обратное напряжение на p-n переходе, то изменится его толщина. В этом случае изменится толщина области, по которой протекает основных носителей заряда. Определения [5]:
Электрод, который инжектирует основные носители, называют истоком (Source - англ).
Электрод, на котором собираются основные носители, называется стоком ((Drain - англ.).
Вывод (эдектрод) полевого транзистора, к которому приложено управляющее напряжение называется затвором (Gate - англ.).
Область полупроводника, по которой протекают основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора, проводимость которого может быть как n-, так и p-типа.
Названия электродов сток и исток - условны. Для отдельного полевого транзистора, который не поставлен в электрическую схему, не имеет значения какие контакты корпуса сток и исток. Все зависит от положения транзистора в цепи. Поскольку полевые транзисторы различаются по типу проводимости с n-каналом и р-каналом, то в связи с этим полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, имеют разный знак, т.е. противоположны. Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа и p-типа изображено на рисунке 6.
Рис. 6. Графическое обозначение полевого транзистора.
Принцип действия полевого транзистора состоит в следующем. При подаче на затвор запирающего напряжения между стоком и истоком создаётся продольное электрическое поле, которое обеспечивает движение основных носителей зарядов, создающих ток стока. Если напряжение на затворе равно нулю, p-n переходы закрыты, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. Если приложить напряжение к затвору, ширина p-n переходов возрастает, а ширина канала и ток стока уменьшаются. При достаточно большом напряжении на затворе ток стока может упасть до нуля, из-за увеличения ширины p-n переходов до их полного слияния. Это напряжение называется напряжением отсечки. По принципу действия полевой транзистор подобен вакуумному триоду. Это управляемый полупроводниковый прибор, в котором при изменении напряжение на затворе уменьшается ток стока и поэтому полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.
.4 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
Эти приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП - металл-диэлектрик-полупроводник или МОП - металл-окисел-полупроводник. МДП - транзисторы могут быть двух видов:
Транзисторы с индуцированным каналом.
Транзисторы со встроенным каналом.
В каждом из типов есть транзисторы с n -каналом и p-каналом. Схематичное обозначение:
Рис.7. Схематическое изображение транзисторов с индуцированным и встроенным каналом.
Характеристики и параметры полевых транзисторов.
. Стокозатворная характеристика - зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.
Рис.8. Стокозатворная характеристика.
. Стоковая характеристика - зависимость зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.
Рис.9. Стоковая характеристика.
Основные параметры:
) Напряжение отсечки.
) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.
) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.
) Входное сопротивление.
На затвор подаётся только запирающее напряжение, поэтому ток затвора - это обратный ток закрытого p-n перехода, его величина весьма мала. Входное сопротивление, как уже упоминалось выше, Rвх может достигать нескольких ГОм.
.5 МДП-транзисторы с индуцированным каналом
Рис. 8. Устройство полевого транзистора с индуцированным каналом.
з = 0; Ic1 = 0; Uз < 0; Ic2 = 0; Uз > 0; Ic3 > 0.
При Uз менее или равном 0, канал отсутствует, и ток стока равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, являясь неосновными носителями, подложки p-типа, уйдут на затвор, а дырки - вглубь подложки. В тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, поэтому полупроводник поменяет тип проводимости. Таким образом, образуется индуцированный канал, и в цепи стока потечёт ток.
.6 МДП-транзисторы со встроенным каналом
Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается наличием между стоком и истоком проводящего канала. Основой такого транзистора является кристалл кремния p- или n-типа проводимости.
Рис. 9. Устройство полевого транзистора со встроенным каналом.
Для транзистора с n-типом проводимости:зи = 0; Ic1; Uзи > 0; Ic2 > Ic1; Uзи < 0; Ic3 < Ic1; Uзи << 0; Ic4 = 0.
При приложении электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов - ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут инжектироваться в канал. При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю. Поэтому, МОП - транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.
1.7 МДП-структуры специального назначения
Кроме упомянутых выше полевых транзисторов применяется ряд МОП-структур со специфичными свойствами. Они служат составной частью микросхем. На рис. 10 приведено устройство структуры типа металл - нитрид - оксид - полупроводник (МНОП). Диэлектрик под затвором выполнен двухслойным. Он состоит из тонкого слоя оксида SiO2 и толстого слоя нитрида Si3N4 (80 -100 нм) (рисунок 5.11, а-в). На границе этих двух слоев, а также в слое нитрида имеются «ловушки» электронов.
Рис. 10 − МНОП-структура в режимах записи (а) и стирания информации (б); вольтамперные стокозатворные характеристики при наличии (4) и отсутствии (5) записанного заряда (в);1 - алюминий; 2 - Si3N4; 3 - SiO2;
Поэтому при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28-30В) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO2 и захватываются «ловушками». Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение, причем этот заряд может храниться в течение нескольких лет при отключении всех напряжений питания. На основе таких МНОП-структур выполняются запоминающие элементы.
Рис. 11 − МОП-структуры с плавающим затвором в режиме записи (а), в режиме стирания (б): 1 - плавающий затвор из поликристаллического кремния; 2 - диэлектрик SiO2
МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией (Рис.11) имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния и не имеет электрических связей с другими частями структуры. В таких структурах также отрицательный заряд благодаря высоким изолирующим свойствам диэлектрика сохраняется на протяжении многих лет (уменьшается приблизительно на 25% за 10 лет). Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток. Для того чтобы транзистор стал неэлектропроводящим, необходимо убрать электрический заряд с «плавающего» затвора. Для этой цели область затвора подвергают воздействию ультрафиолетовым излучением (или ионизирующим излучением другого вида).