4.2. Основные параметры полевых транзисторов

Максимальное значение тока стока Iс max cоответствует его значению в точке «в» (рис. 4.3, а) на выходных характеристиках (при Uзи = 0).

Максимальное значение напряжения сток–исток Uси.max выбирают в 1,2 – 1,5 раза меньше напряжения пробоя участка сток–затвор при Uзи = 0.

Напряжение запирания Uзо соответствует напряжению на затворе при токе стока, равном нулю.

Внутреннее выходное сопротивление транзистора rс = dUc/dIc при Uзи = const характеризует наклон выходной характеристики на участке ІІ (рис. 4.3, а).

Крутизна стокозатворной характеристики S = dIc/dUз, при Uси = const отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора.

Входное сопротивление rвх = dUзи/dIз транзистора определяется сопротивлением р-n-переходов, смещенных в обратном направлении. Оно довольно велико, что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных.

Междуэлектродные емкости Сзи и Сзс связаны главным образом с наличием в транзисторе р-n-переходов примыкающих к истоку и стоку.

4.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор изолирован от канала слоем диэлектрика, поэтому их называют МДП-транзисторами. Роль диэлектрика выполняет окисел кремния , отcюда их второе название – МОП-транзисторы. Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление этого класса транзисторов (10¹² – 10¹⁴ Ом) [5].

Принцип действия МОП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя ПП на границе с диэлектриком, являющегося каналом у этого типа транзисторов, под воздействием поперечного к каналу электрического поля. МОП-транзисторы выполняются двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом.

В общем случае МОП-транзистор представляет собой четырех-электродный прибор. Четвертый электрод (вывод от подложки) выполняет вспомогательную функцию. МОП-транзисторы могут быть с каналом n- или p-типа. Условные обозначения МОП-транзисторов показаны на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Условные обозначения МОП-транзисторов:

а, б, в – со встроенным каналом; г, д, е – с индуцированным каналом; в, е – с выводом от подложки

При изготовлении МОП-транзистора со встроенным каналом в исходной пластинке кремния p-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала n-типа (рис. 4.5, а). Слой окисла выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда подсоединяют к истоку.

Вольт-амперные характеристики транзистора со встроенным каналом (рис. 4.5, б, в) по виду близки к характеристикам транзистора с p-n-переходом. Так как затвор изолирован от канала, то имеется возможность управления выходным током не только отрицательным, но и положительным напряжением на затворе. В рабочем режиме при изменении напряжений на затворе и стоке у транзистора со встроенным каналом конфигурация канала не меняется, а изменяется его проводимость. Режим работы транзистора в области характеристик при Uзи < 0, при котором происходит уменьшение концентрации зарядов в канале, называют режимом обеднения. В этом режиме стоковые характеристики расположены ниже исходной характеристики (Uзи = 0).

При Uзи > 0, поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя ПП пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Стоковые характеристики расположены выше исходной характеристики (Uзи = 0).

Рис. 4.5. МОП-транзисторы со встроенным каналом:

а – конструкция; б – семейство стоковых характеристик;

в – стокозатворная характеристика

Стокозатворная характеристика симметрична относительно исходной точки (Uзи = 0).

В транзисторах с индуцированным каналом канал специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов (в транзисторах с n-каналом) из ПП пластины p-типа при приложении к затвору напряжения положительной полярности (рис. 4.6, а). За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности ПП, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока.

Стоковые характеристики транзистора с индуцированным каналом (рис. 4.6, б) близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом. Отличие заключается в том, что управление током осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения на стоке. Ток стока Iс = 0 при Uз < Uзо.

Стокозатворная характеристика (рис. 4.6, в) расположена в области отпирающих напряжений на затворе, ток Iс появляется при Uз > Uзо.

а) б) в)

Рис. 4.6. МОП-транзисторы с индуцированным каналом:

а – конструкция; б – семейство стоковых характеристик;

в – стокозатворная характеристика

.

МОП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с p-n-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление rс. МОП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы в широком диапазоне питающих напряжений 3…15 В.

МОП-транзисторы с плавающим затвором. Ячейка флэш-памяти

МОП-транзистор с плавающим затвором используется в качестве ячейки энергонезависимой флэш-памяти. Рассмотрим структуру и принцип действия ячейки флэш-памяти.

МОП-транзистор с плавающим затвором кроме основного затвора имеет дополнительный затвор, который выполнен из кристаллического кремния и не имеет электрических связей с другими частями структуры (рис. 4.7). Слои полупроводника, обозначенные через n+, имеют повышенную концентрацию атомов–доноров. Изоляция затворов для упрощения рисунков не показана. Структура транзистора с плавающим затвором в некотором отношении подобна структуре МОП-транзистора с изолированным каналом n-типа.

При подаче высокого напряжения на исток транзистора возникает лавинный пробой p-n-перехода, образованного этой областью и подложкой. При этом электроны приобретают достаточно большие энергии, позволяющие проникнуть им в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд, который вследствие высоких изолирующих свойств диэлектрика сохраняется на протяжении многих лет.

Затвор называется плавающим, так как его потенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («плавающий» потенциал). Перенос заряда в область плавающего затвора происходит за счет квантового эффекта туннелирования электронов через слой диэлектрика (рис. 4.7, а). Если используется метод инжекции горячих электронов, то на сток и управляющий электрод подается высокое напряжение, что придаст электронам в канале энергии, достаточной чтобы преодолеть потенциальный барьер, который создается тонким слоем диэлектрика, и направить туннелирование в область плавающего затвора. Во время чтения на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффект туннелирования не происходит.

Рис. 4.7. Размещение заряда: а – на плавающем затворе;

б – при его удалении

Снятие заряда (стирание записи) выполняется методом квантово-механического туннелирования (рис. 4.7, б). Чтобы удалить заряд с плавающего затвора (стирание ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение (около 9 В), а на область истока подается положительное напряжение. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока. Таким образом происходит квантовое туннелирование.