2. Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник»

Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» сокращенно называют МДП-транзисторами. Они могут быть двух типов: транзисторы с индуцированным каналом и транзисторы со встроенным каналом.

В первых из них канал возникает под действием управляющего напряжения, подаваемого между затвором и истоком. В отсутствие такого напряжения эти транзисторы закрыты (поэтому называются нормально закрытыми транзисторами). В случаях, когда такой транзистор используется в качестве нормально закрытого электронного ключа, управление им не потребует каких либо напряжений для постоянного смещения потенциала затвора. Однако, если организовать соответствующее смещение, транзистор будет работать в качестве линейного усилителя сигналов переменного напряжения.

В транзисторах второго типа проводящий канал создается в процессе их изготовления. Поэтому они являются нормально открытыми и могут усиливать переменный сигнал даже без смещения потенциала затвора. Если транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения канала свободными носителями тока необходимого вида, то транзисторы со встроенным каналом способны работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. По сравнению с исходным состоянием сопротивление канала этих транзисторов может быть увеличено или уменьшено с помощью внешнего управляющего сигнала.

В МДП-транзисторах (в отличие от транзисторов с управляющим р-п-переходом) металлический затвор изолирован от канала в объеме полупроводника слоем диэлектрика. Кроме того, у МДП-транзисторов имеется еще и четвертый вывод, называемый подложкой (П).

МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

Поскольку принципы действия транзисторов с каналами р-типа и п-типа качественно ничем не отличаются, здесь мы рассмотрим устройство и работу МДП-транзистора с индуцированным каналом одного типа - р-типа. Упрощенный вид полупроводниковой структуры такого транзистора показан на рис.7. Здесь С обозначает сток, И – исток, З – затвор, а П – подложку. В таких транзисторах управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. В транзисто­рах с индуцированным каналом под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал р-типа. Это происходит вследствие инверсии типа проводимости и связано с отталкиванием электронов от поверхности полупроводника п-типа в глубинные области. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰— 10¹⁴ Ом (для сравнения, у транзисторов с управляющим р-п-переходом R_вх=10⁷-10⁹Ом).

Очень часто в качестве исходного материала транзистора используют кремний, имеющий эле­ктропроводность п-типа. Роль диэлектрической пленки выпол­няет диоксид кремния SiO₂. Поэтому МДП-транзисторы иногда называют транзисторами со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторами). При отсутствии смещения (U_ЗИ = 0; U_СИ ⁼ 0; U_ИП ⁼ 0) приповерхностный слой полупроводника обыч­но обогащен электронами. Это объясняется на­личием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе Si — SiO₂. Напомним, что ловушки пред­ставляют собой совокупность энергетических уровней, рас­положенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_ЗИ электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерх­ностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий слой с инверсным типом проводимости, который выступает в качестве канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать сопротивление канала и, следовательно, ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением U_ЗИпор. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения U_ЗИпор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концен­трация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет слой, обедненный основными носителями заряда (т.е. р-п-переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки, поскольку р-п-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и, следовательно, ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Сле­довательно, током стока можно управлять не только пу­тем изменения напряжения на затворе, но и за счет из­менения напряжения на подложке. В последнем случае управ­ление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-п-переходом.

Для образова­ния канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U_ЗИпор. При этом толщина образующегося инверсного слоя оказывается значительно меньшей толщины обедненного слоя; если толщина обедненного слоя колеблется от сотен до тыся­ч нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1—5 нанометров. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник — диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки п-типа (где их мало и генерируются они сравнительно медленно), но также и из слоев истока и стока, имеющих р-тип проводимости. Действительно, в объемах, прилегающих к электродам стока и истока, концентрация дырок практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

Рассмотрим семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) рассматриваемого МДП-транзистора (см. рис.2).

На рис.8. видно, что каждый из графиков, соответствующий определенному значению напряжения U_ЗИ, имеет три участка: на начальном участке ток стока быстро возрастает (крутая или омическая область), затем идет слабая зависимость тока стока от напряжения U_СИ (пологая область или область насыщения токастока) и завершает график участок пробоя. Отметим, что в крутой области I МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно ис­пользуется при построении усилительных каскадов. Иногда используют также область пробоя III (для создания релаксационных генераторов).

Можно заметить, что выходные ВАХ транзисторов рассматриваемого здесь вида похожи на выходные ВАХ полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом. Как и транзисторы с управляющим р-п-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях U_СИ (в области I; рис. 8) ведут себя подобно линеаризованному управля­емому сопротивлению. При увеличении напряжения U_СИ ши­рина канала уменьшается вследствие падения на нем напряже­ния и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 9).

Перепады напряжения, создаваемые током I_C, приводят к неравномерному распределе­нию напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряже­нии U_{СИ нас} канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения U_СИ вызывает уменьшение ширины канала и по­вышение его сопротивления. В итоге ток I_C мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения U_СИ. Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения U_СИ такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом.

Аналитичес­кие аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-тран­зисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. Поднако, при ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

, (11)

где

.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

, (12)

где

называется крутизной характеристики на подложке. Она показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки U_ПИ ток стока I_C остался неизменным. Если одновременно действуют напряжения на затворе и подложке, то в выражения (11) и (12) вместо U_ЗИ следует подставить

U_{ЗИ эф} = U_ЗИ   U_ПИ. (13)

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характе­ристики, определенные специально при разных напряжениях на подложке. Они имеют вид, показанный на рис.10. Здесь видна аналогия с выходными ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (область пробоя на рис.10 не показана, но, естественно, в действительности она существует).

Усилительные свойства МДП-транзистора демонстрируют и стоко-затворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока I_C напряжений U_ЗИ и U_ПИ (см. рис.11). На этом рисунке видно, что пороговое напряжение U_ЗИпор существенно зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от ско­рости движения носителей заряда в канале, а также от межэлектродных емкостей между стоком и истоком (С_си), между подложкой и истоком (С_пи) и между подложкой и стоком (С_пс). Кроме того, быстродействие транзисторов зависит от значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются и разряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1—5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

При расчете схем, построенных на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, используют эквивалентные схемы замещения этих транзисторов, в которых за инерционные свойства отвечают электрические емкости. На рис.12 показана одна из таких схем. Необходимо сказать, что значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (например, в такую, что представлена на рис.12) не всегда известны. К тому же часть из них (в частности, С_пс и С_пи) меняется в зависимости от напряжений на электродах. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость транзистора для схемы с общим истоком (С_11и), его выходную (С_22и) и проходную (С_12и) емкости.

Эти емкости характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эк­вивалентной схемой рис.13. Эта схема не очень точно отражает особен­ности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены. Обычно значения емкостей схемы с рис.13 бывают следующими: входная емкость С_11и  1 - 5 пФ, проход­ная емкость С_12и = 0,22 пФ, выходная емкость С_22и = 2 - 6 пФ.

Кроме включения в эквивалентную схему транзистора межэлектродных емкостей, для учета инерционности используют частотную зависимость крутизны стоко-затворной характеристики. Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых тран­зисторов с управляющим р-п-переходом:

, (14)

где  _гр   _З = 1/_З, и _З  R_СИоткрС₃. В типовом слу­чае при длине канала 5 мкм предельная частота, на ко­торой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен ме­гагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и на­пряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах I_C = 0,05 - 0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных тран­зисторах в режиме насыщения напряжение U_КЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков — сотен миливольт, то у МДП-транзисторов при малых токах I_C это падение напряже­ния (поскольку в этом случае транзистор работает в крутой области) мало и определяется током I_С и сопротивлением канала R_СИоткр:

U_СИ = I_СR_Сиоткр при  U_СИ    U_СИнас. (15)

При уменьшении I_C оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

Типовые схемы включения МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа показаны на рис.14. На этих схемах постоянное напряжение по U_см должно превышать пороговое. В противном случае канал не возникнет и транзистор будет заперт.

В реальных схемах напряжение смещения потенциала затвора создают без дополнительного источника питания. Для этого между истоком и общим проводом схемы включают сопротивление и емкость, соединенные параллельные. Постоянная интегрирования этой цепочки должна быть достаточно большой, чтобы не создавать отрицательной обратной связи по переменному току на частоте усиливаемого сигнала.

МДП-транзисторы со встроенным каналом.

Здесь, как и выше, мы рассмотрим транзистор с каналом только одного типа (р-типа), поскольку принципы действия транзисторов с каналами р- или п-типа одинаковы.

Полупроводниковая структура МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа представлена на рис. 15.

Такой транзистор изготавливается из пластинки полупроводникового кристалла с невысоким уровнем легирования донорами, имеющего слабо выраженную проводимость п-типа. На одной из поверхностей пластинки методом высокотемпературной диффузии устраивают слой с повышенным содержанием донорной примеси (проводимость п⁺). На поверхность этого слоя напыляют металлический слой (электрод подложки). На противоположной поверхности полупроводниковой пластинки методом локальной диффузии акцепторной примеси изготавливают две отделенные друг от друга области полупроводника с р⁺-типом проводимости (области стока и истока), а затем, также методом диффузии, между ними изготавливают тонкий слой канала, имеющий слабо выраженную проводимость р-типа.

Таким образом, стоковая и истоковая области оказываются связаными гальванически (между ними нет р-п-перехода). Между областямми с р-типом проводимости и основным объемом полупроводниковой пластинки (подложкой) образуется р-п-переход. На поверхности стоковой и истоковой областей напыляются металлические электроды, к которым припаиваются выводы стока и истока, соответственно. Поверхность полупроводниковой пластинки в месте нахождения канала покрывают слоем изолятора (диоксида кремния), а на этот слой напыляют металлический электрод (затвор). В зависимости от полярности напряжения между каналом и затвором происходит расширение или сужение встроенного канала и, следовательно, уменьшение или увеличение сопротивления канала.

Подчеркнем, что в транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положитель­ное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки U_{ЗИ отс}. При этом дырки из инверсного слоя будут вытеснены, практически полностью, вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увели­чивается. Следовательно, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

При ориентировочных оценках тока стока транзистора со встроенным каналом в области насыщения можно использовать уравнение

, (16)

где

.

Графики семейства выходных ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от соответствующих графиков МДП-транзисторов с индуцированным каналом лишь тем, что здесь напряжение U _ЗИ может принимать как положительные значения, так и отрицательные (см. рис.16). По форме и те и другие графики качественно идентичны. Здесь тоже имеются крутая (омическая) область I, область насыщения тока стока II и область пробоя канала транзистора в наиболее суженном месте, III.

Стокозатворная вольтамперная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа имеет вид, показанный на рис.17.

Стокозатворная ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа имеет вид, показанный на рис.18.

Для расчетов усилительных схем на МДП-транзисторах со встроенным каналом рекомендуется схема замещения транзистора, показанная на рис.19. В нее входят элементы: входную емкость транзистора в схеме с общим истоком (С_11и), его выходная емкость (С_22и), проходная емкость (С_12и), выходное дифференциальное сопротивление (R_{СИ диф}) и источник тока, определяющий усилительные свойства транзистора.

Обычно величины емкостей схемы замещения транзистора имеют следующие значения: С_11и  1 - 5 пФ, С_12и = 0,22 пФ, С_22и = 2 - 6 пФ. Величина сопротивления R_{СИ диф} находится в пределах от десятков до сотен кОм.

Типовые схемы включения источников питания для МДП-транзисторов со встроенным каналом мало отличаются от соответствующих схем для транзисторов с индуцированным каналом (см. рис. 20). Количественные отличия могут быть связаны с величиной и полярностью напряжения смещения потенциала затвора.

Типовые схемы включения источников питания для МДП-транзисторов со встроенным каналом мало отличаются от соответствующих схем для транзисторов с индуцированным каналом (см. рис. 20). Количественные отличия могут быть связаны с величиной и полярностью напряжения смещения потенциала затвора.

Кроме однозатворных МДП-транзисторов со встроенным каналом промышленность также выпускает транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные транзисторы), например КП306, КП350. Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с по­мощью двух управляющих напряжений, что облегчает по­строение различных усилительных и умножительных устройств. Характеристики их аналогичны характеристикам однозатворных полевых транзисторов, только количество характеристик больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Соответственно различают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затворов и т. д. Схемы подачи напряжений смещения на затворы ничем не отличается от тех, что применяются в случае однозатворных транзисторов (см. рис. 21).

Основные параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения.

1. Крутизна характеристики

(при U_СИ = const и U_ПИ = const; S = 0,1 – 500 мА/В);

2. Крутизна характеристики по подложке

(при U_СИ = const и U_ЗИ = const; S_П = 0,1 – 1 мА/В);

3. Начальный стока I_Cнач (ток стока при нулевом напряжении U_ЗИ; у транзисторов с управляющим р-п-переходом I_Cнач = 0,2 - 600 мА; с технологически встроенным каналом I_Cнач = 0,1 - 100 мА; с индуцированным каналом I_Cнач = 0,01 - 0,5 мкА);

4. Напряжение отсечки U_ЗИотс (U_ЗИотс = 0,2 - 10 В);

5. Пороговое напряжение U_ЗИпор (U_ЗИпор = 1 – 6 В);

6. Сопротивление сток — исток в открытом состоянии R_СИоткр

7. (R_Сиоткр = 2 – 300 Ом);

8. Максимальный постоянный ток стока I_Cмакс (I_Cмакс = 10 мА – 0,7 А);

9. Остаточный ток стока I_{C ост} – ток стока при напряжении U_ЗИотс (I_{C ост} = 0,001 – 10 мА);

10. Максимальная частота усиления f_р- частота, на которой коэффициент усиления по мощности К_ур равен единице (f_р может принимать значения от десятков до сотен МГц).