Konsp_Lec_MKREA

Рисунок 13.10 – Зависимость коэффициента передачи тока от частоты

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Справочник по радиоэлектронике. Т.1 / под ред. А.А. Куликовского. –

Энергия, 1967. – 648 с., ил.

3.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред.

А.Ф. Трутко: М., «Энергия», 1973. – 656 с., ил.

4.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – М.: Корона Принт, 2006. – 415 с.

5.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

131

Лекция 14. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Англоязычные сокращения:

BJT – bipolar junction transistor – биполярный плоскостной транзистор. MOS – metal-oxide semiconductor – металл-окисел-полупроводник, МОП-

технология, МОП-структура.

CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Complementary MOS

– комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, КМОП (технология изготовления микросхем).

JFET – junction (gate) field-effect transistor – канальный (полевой,

униполярный) транзистор с управляющим p-n переходом.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных).

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926-1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора – с управляющим p-n- переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов – полевых транзисторов с барьером Шоттки – была предложена и реализована Мидом в

1966 году.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл-полупроводник (барьер Шоттки), вторую –

транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора),

так называемые МДП-транзисторы (МДП – метал-диэлектрик-полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом – это полевой транзистор, затвор которого изолирован (т.е. отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

132

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (рис. 14.1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Рисунок 14.1 – Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р- каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны. Схематические изображения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом приведены на рис. 14.2.

133

Рисунок 14.2 – Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малым значением обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний при незначительных потерях энергии.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен электровакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду электровакуумного триода, затвор – сетке, сток – аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрев катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе – входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах). Это связано с тем, что процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. Данные процессы свойственны в основном биполярным транзисторам.

134

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).

Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, создаются две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области наносятся металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрывается тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика наносится металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с

107...1010 Ом), что является преимуществом при построении высокоточных

устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 14.3, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением U зи пор .

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 14.3, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой – канал, который соединяет исток со стоком.

135

Рисунок 14.3 – Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

Изображённые на рис. 14.3 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p- типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

При напряжении на затворе относительно истока U зи , равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, – ток стока Ic оказывается ничтожно малым. Он

представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 14.3, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших по модулю, чем U зи пор ) у поверхности

полупроводника под затвором начинает формироваться обеднённый основными носителями слой и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных (нескомпенсированных) примесных атомов. При отрицательных напряжениях на затворе, по модулю больших порогового напряжения U зи пор , у поверхности полупроводника под затвором получаем

сформированный инверсный слой, который является каналом, соединяющим

136

исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе. Соответственно будет изменяться и ток стока, т.е. ток в цепи нагрузки относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падает на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда – дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается падение напряжения на полупроводнике между истоком и стоком, т.е. мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом.

В связи с наличием в таком МДП-транзисторе встроенного канала, при нулевом напряжении на затворе (рис. 14.3, б) уже будет протекать значительный ток стока. Площадь поперечного сечения и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как в сторону отрицательных, так и в сторону положительных значений. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом хорошо видна на выходных ВАХ транзистора (рис. 14.4). Исходя из полярностей напряжений

137

Uси и U зи , можно заключить, что ВАХ на рис. 14.4 соответствуют транзистору с

встроенным каналом n-типа. Примерный вид входной ВАХ такого транзистора изображён на рис. 14.5. Из рис. 14.5 следует, что при некотором напряжении U зи , называемом напряжением отсечки U зи отс , канал практически перестаёт

существовать и транзистор закрывается.

Рисунок 14.4 – Выходные ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом

Рисунок 14.5 – Входная ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом

Суммируя вышесказанное, построим входные ВАХ различных типов полевых транзисторов (рис. 14.6). Кривая 1 соответствует ВАХ полевого n- канального транзистора с управляющим p-n переходом. Изначально канал такого транзистора открыт и по нему протекает значительный ток стока Iс нач .

Управляющее отрицательное напряжение на затворе U зи запирает

138

управляющий p-n переход, уменьшая ток носителей через канал. При некотором напряжении U зи отс ток стока уменьшается до нуля.

Рисунок 14.6 – Входные ВАХ различных типов полевых транзисторов

Кривая 2 соответствует ВАХ полевого n-канального транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Изначально канал такого транзистора приоткрыт, а управляющее напряжение U зи может быть

двухполярным. Кривая 3 соответствует ВАХ полевого n-канального транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом. Изначально у такого транзистора отсутствует проводящий канал и только при некотором пороговом напряжении U зи пор появляется канал и ток стока Iс .

Входные ВАХ соответствующих транзисторов с каналом p-типа будут зеркально симметричны относительно оси ординат. Обратными будут и напряжения на выводах транзисторов.

Схематические изображения полевых транзисторов с изолированным затвором переходом приведены на рис. 14.7.

Рисунок 14.7 – Полевые транзисторы с изолированным затвором

139

МДП-структуры специального назначения.

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28…30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами. При этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

Не так давно были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами, для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные, структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel количество элементарных приборов составляет от десятков

140