Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

91

сокотемпературного окисления. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называются также МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - или МОП (металл-окисел-полупроводник)-транзисторами.

Существуют два типа МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами.

4.2.1. МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Упрощенная структура МДПтранзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 4.5.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой электрического соединения, с противоположным относительно подложки типом электропроводности. К этим областям изготавливаются внешние омические контакты, которые служат истоком и стоком. Структура транзистора обратима – сток и исток можно менять местами.

Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем диэлектрика (двуокиси кремния) толщиной 0,05…1 мкм. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение Uси, то в цепи стока протекает малый обратный ток p–n перехода между подложкой и областью стока.

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители заряда (дырки) и притягивая электроны к поверхности. При малых напряжениях Uзи у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящего из ионизированных примесных атомов. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном

92

слое полупроводника происходит смена (инверсия) электропроводности

(рис. 4.6).

Образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При его изменяются толщина и электропроводность канала, а соответственно изменяется и ток стока. С удалением от поверхности полупроводника концентрация электронов уменьшается, а на глубине, равной толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p– n переход). Он изолирует сток, исток и канал от подложки.

На вывод подложки относительно истока можно подавать напряжение Uпи, полярность которого противоположна проводимости подложки, что приводит к изменению числа носителей в канале.

Прямое включение перехода исток-подложка недопустимо, ибо в цепи дополнительного управляющего электрода появляется большой ток. В транзисторах, не имеющих вывода подложки, последняя электрически соединена с истоком.

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

Носители, образующие канал, поступают в него не только из подложки, но и из областей истока и стока, в которых пополнение носителей происходит от Uси. Транзисторы с p-каналом имеют противоположную полярность внешних напряжений Uзи, Uси, по сравнению с транзисторами с n-каналом.

4.2.2.Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

На рис. 4.7 представлено семейство статических выходных (стоковых) характеристик Ic = f (Uси) при Uзи = const

Uзи ≥ Uзи пор .

При увеличении внешнего напряжения Uси и Uзи до значений больше порогового, в цепи сток-исток протекает электрический ток. От истока через ка-

93

нал к стоку должны двигаться электроны, поэтому плюс внешнего источника подключается к стоку.

При малых напряжениях Uси и Uзи ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ). С увеличением напряжения Uси ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения. Уменьшение поперечного сечения канала при увеличении тока стока происходит около стока.

Из-за заметного сужения стокового участка канала характеристика отклоняется от прямой на участке БВ. При напряжении

Uси нас = Uзи − Uзи пор напряжение на

затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению, что приводит к уменьшению ширины канала возле стока, повышению его

сопротивления и ограничению тока стока Ic = Iс нас. В транзисторе наступает

режим насыщения и при дальнейшем увеличении напряжения Uси ток стока меняется незначительно.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока. При больших напряжениях на стоке может произойти электрический пробой транзистора: пробой p–n перехода под стоком или пробой диэлектрика под затвором.

Выходные характеристики МДП-транзистора аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p–n переходом. В крутой области характеристики (участок АБ на рис. 4.7) транзистор работает как электрически управляемое сопротивление, а пологая часть используется при построении усилительных каскадов.

При ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

94

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжения на затворе и стоке у МДП-транзисторов с индуцированным каналом служит основой для построения высокоэкономичных импульсных схем.

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики при различных напряжениях подложка-исток Ic = f (Uси) при Uпи=const (рис. 4.9).

Семейство сток-затворных характеристик при разных напряжениях Uпи на подложке относительно истока показаны на рис. 4.10. Из рис. 4.10 видно, что при изменении напряжения на подложке все точки характеристики смещаются параллельно оси абсцисс на ∆Uпор. Пороговое напряжение Uзи пор существенно зависит от напряжения на подложке.

4.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом

На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слаболегированный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и области стока и истока (рис. 4.11,а).

При нулевом напряжении на затворе и наличии внешнего напряжения между стоком и истоком протекает ток стока. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет выталкивать электроны из канала, а в канал втягивать дырки из подложки, канал обедняется носителями. Толщина канала и его электропроводность уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки Uзи отс, происходит инверсия типа электропроводности канала. Области истока и стока оказываются разделенными областью p-полупроводника.

97

p–n переходом изменение температуры приводит к изменению контактной разности потенциалов, обратного тока через переход и подвижности носителей.

С увеличением температуры на 1 °С уменьшается контактная разность потенциалов на 2 мВ, поэтому напряжение отсечки в зависимости от температуры равно:

Все это приводит к увеличению эффективного сечения канала и увеличению тока стока.

С ростом температуры подвижность носителей и удельная проводимость канала уменьшаются, что способствует уменьшению тока стока. При достижении определенного значения Uзи происходит полная взаимная компенсация противоположно действующих факторов, и ток стока в этом режиме оказывается практически не зависящим от температуры. Точка на сток-затворных характеристиках, в которой ток стока не зависит от температуры, называется термостабильной

(см. рис. 4.16).

У полевого транзистора с управляющим p–n переходом точка температурной компенсации тока стока отстоит от напряжения

отсечки приблизительно на 0,6 В для р-канала и ≈0,8 В для n-канала. Значение максимального тока стока у таких транзисторов в термостабильной точке лежит в пределах 0,1…1 мА.

При изменении температуры у полевых транзисторов с управляющим p–n переходом резко возрастает ток затвора, что приводит к изменению входного сопротивления, что необходимо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора.

У МДП-транзисторов так же имеется термостабильная рабочая точка (рис. 4.17), в которой ток стока мало зависит от температуры. С ростом температуры уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока. Кроме того, с ростом температуры возрастает ионизация поверхностных состояний подзатворного полупроводника, что приводит к увеличе-

нию тока стока и уменьшению напряжения отсечки. При определенном значе-

98

нии тока стока оба эти фактора уравновешивают друг друга, и ток стока практически не зависит от изменения температуры. Для разных МДП-транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах

0,05…0,5 мА.

4.6. Полевой транзистор как линейный четырехполюсник

Полевой транзистор, работающий в режиме малого сигнала, так же как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 4.18). Наличие большого входного сопротивления у полевых транзисторов позволяет удобно их описывать с помощью Y-параметров. Для схемы с ОИ в качестве независимых переменных принимают Uзи и Uси, а зависимые величины – Iз, Ic, тогда транзистор описывается

следующей системой уравнений:

Откуда Y-параметры в режиме КЗ по переменному току на входе и выходе определяются выражениями

теристики прямой передачи) определяет наклон данной характеристики в любой точке;

ке часто используется обратная величина Ri =1Y22 , называемая внутренним

(дифференциальным) сопротивлением транзистора.

Параметры Y11, Y21, Y22 можно определить по статическим характеристикам. Крутизна передаточной характеристики S определяется на рабочем (пологом) участке стоковой характеристики и ее нетрудно получить из выражений (4.3, 4.4), взяв первую производную от Iс по Uзи.

На практике для определения S используется графоаналитический метод. На выходных (стоковых) характеристиках (рис. 4.19) через выбранную рабочую точку О, которой

соответствуют значения I'с, U'си , U'зи,

проводят прямую параллельную оси токов до пересечения со следующей характеристикой в точке В, имеющей

координаты I'c' , U'си , U'зи' . Значение крутизны рассчитывается по формуле

Дифференциальное сопротивление Ri более полно отражает зависимость тока стока Ic от напряжения Uси на пологом участке стоковой характеристики. Ri определяется в рабочей точке О по приращению тока стока, соответствующему приращению напряжения Uси:

Возрастание тока стока при увеличении Uси в пологой части характеристики обусловлено эффектом модуляции длины канала. С увеличением Uси стоковый p–n переход смещается в обратном направлении, что приводит к расширению перехода и уменьшению длины канала. А уменьшение длины канала приводит к уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока. Управляющее действие подложки учитывается коэффициентом влияния подложки, показывающим на сколько необходимо изменить напряжение на затворе, чтобы ток стока Iс остался неизменным при изменении напряжения подложки Uпи

100

где Sп = ∂Iс ∂Uпи Ic =const – крутизна характеристики по подложке.

Для оценки потенциальных возможностей полевого транзистора как усилительного элемента вводят параметр, называемый статическим коэффициентом усиления по напряжению

который показывает, во сколько раз эффективнее изменение напряжения на затворе воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Так как в диапазоне допустимых рабочих напряжений Uси статические выходные характеристики не пересекаются и не выполняется условие Iси=const, то µ рассчитывается по найденным значениям Ri и S

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима по постоянному току.

Входное сопротивление полевых транзисторов с управляющим p–n переходом определяется величиной обратного тока перехода, а у МДПтранзисторов – током утечки изолирующей пленки диэлектрика.

Для МДП-транзисторов значение входного сопротивления лежит в пределах 1012…1015 Ом. Из-за влияния статического электрического заряда на практике не удается реализовать большое значение входного сопротивления. Кроме больших внешних напряжений, подаваемых на затвор, большие значения напряженности электрического поля часто возникают за счет обычных внутренних зарядов в окисле. Поэтому не рекомендуется использовать и хранить МДП-транзисторы с неподключенным затвором. Завод-изготовитель выпускает МДП-транзисторы со специальным закорачивающим приспособлением (все выводы транзистора замкнуты между собой, что способствует стеканию зарядов диэлектрика, и МДП-транзистор не испытывает действия статического электричества.

Для устранения опасного предела электрического заряда в диэлектрике и для получения больших входных сопротивлений в МДП-транзисторах используются защитные диоды, включенные в цепь затвор-исток (рис. 4.20).

В качестве защитных диодов часто используются стабилитроны. При превышении напряжения на затворе больше пробивного напряжения одного из диодов, электрический заряд, накопленный в диэлектрике, отводится через защитные диоды на землю. В связи с этим, электрический заряд в диэлектрике МДП-транзисторов не превышает величины, при которой может произойти пробой изолирующей пленки диэлектрика, что обычно приводит к выходу транзистора из строя. Наличие защитных диодов незначительно уменьшает входное сопротивление транзистора (за счет обратных токов диодов), а характеристики транзистора остаются неизменными.