12.2 Структура и принцип работы униполярного транзистора с изолированным затвором

Униполярный транзистор, имеющий один или несколько затворов, изолированных от проводящего канала называется униполярным транзисторов с изолированным затвором.

В зависимости от используемого подзатворного окисла такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП- транзисторами (металл – окисел – полупроводник). МДП-транзисторы в настоящее время являются основными типами транзисторов в сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Они находят широкое применение также в мощных ключевых схемах.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным (наведенным) и встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом, проводящий канал между сильно легированными областями истока и стока, а значит и заметный ток стока, появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением. При этом проводящий канал возникает за счет проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник (рис.12.4 а).

ВМДП-транзисторах с встроенным каналом, проводящий канал между сильно легированными областями истока и стока создан технологически путем локальной диффузии или ионной имплантации примесей, поэтому током стока можно управлять при изменении напряжения как положительной, так и отрицательной полярности (рис.12.4 б).

МДП-транзистор с индуцированным каналом.

Принцип действия такого транзистора рассмотрим на основе структуры, приведенной на рис.12.4 а. Он основан на использовании внешнего электрического поля, под действием которого изменяются значение и тип электропроводности области полупроводника вблизи границы раздела окисел-полупроводник (рис.12.5). Если к металлическому электроду 1 приложить отрицательный относительно нижнего полупроводникового электрода 4 потенциал, то основные носители, имеющие положительный заряд, будут перемещаться из объема полупроводника р-типа проводимости в приповерхностный слой, и вблизи поверхности полупроводника образуется слой 3 с повышенной концентрацией дырок (рис.12.5 а). Такой режим называют режимом обогащения поверхности основными носителями заряда.

Если к металлическому электроду 1 приложить положительный относительно нижнего полупроводникового электрода 4 потенциал, то основные носители, имеющие положительный заряд, будут перемещаться из поверхностных слоев в объем полупроводника р-типа проводимости, и вблизи поверхности полупроводника образуется слой 3 с пониженной концентрацией дырок (рис.12.5 б). Такой режим называютрежимом обеднения поверхности основными носителями заряда.

Таким образом, изменяя потенциал металлического электрода (затвора), можно изменять значение и тип электропроводности полупроводника вблизи его границы раздела со слоем диэлектрика.

При отсутствии напряжения на затворе или при отрицательном напряжении на затворе относительно истока электрическая цепь представляет собой два п⁺-р перехода включенных встречно друг другу (рис.12.4 а). Поэтому при любой полярности напряжения исток – сток один из переходов смещается в обратном направлении, и в выходной цепи будет протекать очень малый ток обратно смещенного перехода.

Если к затвору приложен достаточно большой положительный потенциал, то под затворным диэлектриком образуется обедненный слой, содержащий повышенную концентрацию электронов (см.рис.12.5 а), и возникает индуцированный п⁺-канал, соединяющий области истока и стока. Напряжение на затворе, при котором возникает проводящий канал, называется пороговым напряжением U_ЗИпор. С изменением напряжения на затворе изменяется концентрация носителей заряда в проводящем канале, а также и толщина или поперечное сечение канала, т.е. происходит модуляция сопротивления проводящего канала. При изменении сопротивления проводящего канала изменяется и ток стока.

Характер семейства выходных характеристик для МДП-транзистора с изолированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей полевого транзистора с управляющим р-п переходом (рис.12.6 а). Сублинейность крутых частей выходных характеристик объясняется уменьшением толщины канала около стока при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе, т.к. на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между стоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Другими словами, из-за прохождения по каналу тока стока возникает неэвипотенциальность канала по его длине (см. рис.12.4 а кривые 1-3).

При напряжении насыщения происходит перекрытие канала около стока и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

При увеличении напряжения на затворе выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока.

Вслучае семейства передаточных характеристикхарактеристики при разных напряжениях на стоке выходят из одной точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению на затвореU_ЗИпор (рис.12.6 б).

МДП-транзистор со встроенным каналом.

Принцип действия такого транзистора рассмотрим на основе структуры, приведенной на рис.12.4 б. В таком транзисторе под затвором создается проводящий канал путем диффузии или ионной имплантации соответствующей примеси.

В такой структуре модуляция сопротивления переходного канала может происходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обогащения проводящего канала и в режиме обеднения проводящего канала. При положительном напряжении затвора проводящий канал работает в режиме обеднения, когда в проводящем канале возникает избыток электронов и проводимость канала увеличивается. При отрицательном напряжении на затворе в проводящем канале возникает избыток дырок (режим обогащения) и проводимость канала уменьшается.

Эта особенность МДП-транзистора со встроенным каналом отражается на выходных статических характеристиках (рис.12.7 а). Если напряжение на затворе равно нулю, то проводящий канал имеет определенное статическое сопротивление и через него протекает ток стока определенной величиныI_{СТпокоя}. При положительном напряжении на затворе канал обогащается электронами, и ток стока возрастает. При отрицательном напряжении на затворе канал обедняется электронами, и ток стока уменьшается. При некотором отрицательном напряжении на затворе, которое называется напряжением отсечки U_ЗИотс, ток стока уменьшается до нуля. Это хорошо видно на передаточной характеристике (рис.12.7 б).