6. Структура металл-диэлектрик-полупроводник.

МДП-ТРАНЗИСТОР

6.1. Основные свойства мдп-структуры

МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой полупроводника, рис. 22. Если используется самый распространённый

Рис. 22

полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния SiO₂. Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает проникновение электрического поля в полупроводник при подаче на структуру внешнего напряжения U_вн. Полупроводник может быть как n, так и p типа.

Пусть на МДП-структуру с полупроводником p-типа подано U_вн с полярностью: минус к металлу, плюс к полупроводнику (на металл подан потенциал, меньший, чем на p-полупроводник), рис. 22б. Электрическое поле в приповерхностном слое p-полупроводника будет направлять дырки в сторону, диэлектрика и вытеснять электроны из той области. Концентрация дырок в этом слое p⁺ будет повышенной (режим обогащения).

При подаче U_вн плюсом к металлу, рис. 22в, концентрация дырок в приповерхностном слое p^- будет пониженной из-за вытеснения отсюда дырок созданным полем металлического слоя (режим обеднения). В то же время концентрация свободных электронов в приповерхностном слое будет расти из-за уменьшения вероятности их рекомбинации с дырками (см. (13)).

В результате уменьшения концентрации дырок и роста концентрации свободных электронов, при некотором пороговом напряжении U₀ их концентрации сравняются и будут равны собственной концентрации n_i, рис. 22г.

С дальнейшим ростом напряжения концентрация свободных электронов в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок и тип проводимости в нем сменится с дырочного на электронный (режим инверсии).

Изменение состояния проводимости полупроводника под действием электрического поля называется полевым эффектом. Транзисторы, использующие полевой эффект, называются полевыми транзисторами.

6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом

В МДП-транзисторах используются свойства МДП-структуры, т.е. все их разновидности относятся к классу полевых транзисторов. В современной электронике в основном используются именно такие транзисторы [1, 5].

Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом поясняет рис. 23,а.

Рис. 23

Здесь МДП-структура дополнена двумя снабженными металлическими контактами «островками» n⁺-типа, между которыми может возникать канал n-типа (рис.23,б). Эти области называют стоком и истоком. Внутренние контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря высокой степени легирования, контакты обладают ничтожным сопротивлением.

На рис. 23,б изображён МДП-транзистор с необходимыми для работы подключениями. Здесь используется основная схема включения – с общим, или заземлённым истоком. Это название отражает очевидное: в такой схеме исток заземлён и является общим узлом для источников U_зи и U_си.

При подаче на затвор положительного напряжения U_зи, превышающего пороговое напряжение U₀, обеспечивается режим инверсии МДП-структуры. В подзатворной области появляется слой полупроводника n-типа – канал. Канал электрически соединяет исток и сток. Поэтому, если подано напряжение на канал U_си, в канале появится ток канала. Ток канала, ток истока и ток стока равны между собой. Этот ток принято называть током стока I_с. По характеру I_с является дрейфовым током основных носителей.

Чем больше U_зи, тем больше толщина канала, концентрация свободных электронов в нём и поэтому больше ток I_с.

При любых U_зи < U₀ режим МДП-структуры – обогащение или обеднение. Канала нет, исток и сток разделены полупроводником p-типа, ток между ними невозможен (закрытое состояние транзистора, отсечка).

Полное название такого транзистора – МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа, обусловлено тем, что под воздействием поля затвора в нем появляется (индуцируется) канал со свойствами полупроводника с электронной проводимостью.

Существуют и p-канальные МДП-транзисторы. В них используется МДП структура с полупроводником n-типа. Р-канал появляется при отрицательном напряжении U_зи < U₀. Такие транзисторы менее распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. При равных прочих условиях в n-канальном транзисторе ток в несколько раз больше.