Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 4_Полевые транзисторы

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Тема 4. Полевые транзисторы

Смирнов В.И.

кафедра ПиТЭС, УлГТУ

Общие сведения о полевых транзисторах

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током через транзистор осуществляется модуляцией проводимости канала посредством поперечного электрического поля.

Упрощенная конструкция прототипа полевого транзистора.

Конструкция и принцип действия ПТ запатентованы Лалиенфельдом в 1925 г.

Первый ПТ появился в 1953 г.

Проблема модуляции проводимости – наличие поверхностных состояний.

Решение проблемы:

а) модуляция проводимости с помощью p-n-перехода, сформированного в объеме полупроводника; б) формирование на поверхности полупроводника диэлектрического слоя,

частично компенсирующего валентные связи у поверхностных атомов.

Первое решение привело к созданию полевых транзисторов с управляющим переходом, второе – к полевым транзисторам с изолированным затвором.

Полевой транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. Через исток и сток из внешней цепи через канал транзистора протекает ток. Затвор служит для управления величиной тока через канал. Ток в канале обусловлен протеканием основных носителей заряда (дибо электронов, либо дырок), что отличает его от биполярного транзистора. Поэтому другое название ПТ – «униполярный» транзистор.

Модуляция проводимости канала в ПТ с управляющим переходом производится за счет изменения толщины ОПЗ, а в ПТ с изолированным затвором – за счет изменения толщины канала в приповерхностном слое полупроводника. Канал может существовать при отсутствии напряжения на затворе, либо индуцироваться (образовываться) напряжением на затворе.

Напряжение между стоком и истоком должно быть таким, чтобы основные носители заряда в канале перемещались от истока к стоку.

ПТ имеют высокое входное сопротивление, что обеспечивает им низкое энергопотребление и возможность управления током через канал с помощью напряжения. ПТ можно соединять параллельно.

При изготовлении ИМС в основном применяют ПТ, а не БТ (проще технология, меньше размеры, выше быстродействие).

Рассмотрим зависимость тока IС от напряжения UСИ. При UЗИ = const сопротивление канала Rкан также постоянно, поэтому согласно закону Ома IС ~ UСИ. Это справедливо, если UСИ не превышает напряжения насыщения UСИ. нас, потому что даже при фиксированном UЗИ значение Rкан изменяется с ростом UСИ. Причина в том, что напряжение |UЗИ|, от которого зависит толщина ОПЗ, изменяется по длине канала – со стороны стока оно больше, чем со стороны истока. С ростом напряжения UСИ увеличивается толщина ОПЗ и при достижении UСИ. нас эта область ОПЗ может достичь границы с подложкой со стороны стока. Канал перекрывается высокоомной ОПЗ.

При дальнейшем росте UСИ область перекрытия увеличивается, Rкан также увеличивается, причем этот рост примерно пропорционален UСИ. Поскольку IC определяется отношением UСИ/Rкан, то с ростом UСИ ток IC ≈ const.

В действительности зависимость длины перекрытой части канала от UСИ является не совсем линейной (ближе к корневой), поэтому при

UСИ > UСИ.. нас наблюдается слабый рост IC.

4.6Полевые транзисторы с управляющим переходом

Семейство выходных ВАХ при разных значениях UЗ имеют вид:

Все ВАХ выходят из начала координат, монотонно возрастают и имеют 3 области: линейную, насыщения и пробоя.

Максимальный ток IC, соответствующий области насыщения ПТ при UЗИ = 0, называют начальным током стока IC. нач.

При достаточно больших значениях UСИ возникает пробой p-n-перехода затвора, который в кремниевых ПТ носит лавинный характер. Обратное напряжение на p-n-переходе затвора определяется суммой UСИ и |UЗИ|. Поэтому с ростом |UЗИ| напряжение пробоя UСИ. проб уменьшается.

Передаточная характеристика – это зависимость IC = f(UЗИ) при UСИ = const

Поскольку основным рабочим режимом ПТ является режим насыщения, то особый интерес представляют передаточные характеристика при UСИ, соответствующие области насыщения.

Для ПТ с ростом обратного напряжения на управляющем p-n-переходе ток стока IC уменьшается. При достижении UСИ

Передаточная характеристика напряжения отсечки UЗИ. отс ток IC ≈ 0.

При изменении напряжения UСИ смещения передаточных характеристик практически не наблюдается в связи с малым изменением тока стока IC в области насыщения.

На основе передаточной характеристики можно определить крутизну S полевого транзистора, представляющую собой отношение приращения тока

Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупроводник

В МДП-структуре в приповерхностном слое полупроводника, а также на границе раздела полупроводник-диэлектрик имеются различные заряды (электроны, дырки, ионы доноров и акцепторов, заряженные дефекты).

На гетерогранице полупроводника с

МДП-структура диэлектриком имеются оборванные связи, захватывающие свободные носители заряда

(электроны и дырки).

Если на затвор подать напряжение, то в приповерхностном слое полупроводника появится заряд свободных носителей. Если этот заряд превышает заряд поверхностных состояний, то это вызовет изменение поверхностной проводимости полупроводника. Это и составляет суть эффекта поля.

Если создать условия для протекания тока вблизи поверхности полупроводника между парой электродов (истоком и стоком), то напряжением на затворе можно управлять током в полупроводнике.

а) б) в) г) Энергетические диаграммы приповерхностной области полупроводника

n-типа при различных значениях напряжения на МДП-структуре: а) режим плоских зон (U = 0); б) режим обогащения (U > 0); в) режим

обеднения (U < 0); г) режим инверсии (U < 0)

Перпендикулярное к поверхности поле изменяет энергию носителей, искривляя энергетические зоны. Это вызывает обеднение или обогащение основными носителями заряда приповерхностной области. Возможно также образование инверсного слоя (с противоположным типом проводимости).

МДП-транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: с индуцированным и со встроенным каналами.