Полевые транзисторы с изолированным затвором

В этих транзисторах ЭЗ изолирован от полупроводникового кристалла тонким слоем диэлектрика, т.е. они имеют структуру типа «металл–диэлектрик–полупроводник» (МДП). Поэтому они называются также транзисторами МДП-транзисторами. В случае, когда в качестве диэлектрика используется оксид кремния (SiO₂), их называют МОП-транзисторами (структура «металл–оксид–полупроводник»).

Принцип действия МДП-транзистора основан на использовании физического явления, называемого эффектом поля. Это явление заключается в том, что под действием напряжения, приложенного между ЭЗ и подложкой, происходит изменение электропроводимости прилегающего к диэлектрику тонкого слоя полупроводника (канала).

МОП-структура (рис. 6) представляет собой своеобразный конденсатор с металлическим и полупроводниковым электродами (обкладками). Если к ним приложить напряжение, то на них накапливаются электрические заряды.

В металлах число свободных электронов велико (сравнимо с числом атомов), поэтому заряд металлической обкладки «конденсатора» сосредоточивается в его тончайшем поверхностном слое со стороны диэлектрика. Заряд полупроводниковой обкладки конденсатора из-за относительно малой концентрации свободных носителей заряда в ней распределяется в поверхностном слое значительно большей толщины, чем в металлической обкладке.

Если в случае полупроводника p-типа между металлическим электродом и полупроводниковой подложкой приложить положительное напряжение (U_мп > 0), то под действием создаваемого им электрического поля дырки будут оттесняться от прилегающей к диэлектрику поверхности подложки, а свободные электроны будут притягиваться к этой поверхности. В результате в поверхностном слое полупроводника некоторой толщины l_ос (обеднённый слой) нарушается её электрическая нейтральность и этот слой приобретает отрицательный заряд, обусловленный распределёнными по объёму подложки в пределах данного слоя неподвижными отрицательными ионами акцепторной примеси полупроводника и более тонким приповерхностным слоем притянутых к поверхности полупроводника электронов. Этот суммарный отрицательный заряд поверхностного слоя представляет собой заряд полупроводниковой обкладки конденсатора типа МДП-структуры. При малых значениях U_мп этот поверхностный слой полупроводника находится в режиме обеднения свободными носителями электрического заряда по сравнению с равновесным состоянием кристалла.

Электрическое поле в диэлектрике является однородным, (Е_д = const), т.к. в диэлектрике практически нет свободных носителей электрических зарядов. Напряженность электрического поля в полупроводнике (Е_п) убывает начиная от наибольшего значения на верхней поверхности кристалла полупроводника до уровня, близкого к нулю, в пределах толщины l_ос поверхностного слоя неравновесного распределения индуцированного электрического заряда.

По мере увеличения значения этого напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, а концентрация дырок в нём уменьшается.

При превышении значения U_мп некоторого порогового значения концентрация дырок в тонком приповерхностном слое полупроводника со стороны диэлектрика становится меньше концентрации электронов, притягивающихся сюда электрическим полем из глубины подложки. Тогда в тонком приповерхностном слое верхней грани подложки происходит режим инверсии типа электропроводности полупроводника (на поверхности индуцируется канал n-типа). Этот инверсный слой имеет толщину l_ис в несколько нанометров. При этом l_ис << l_ос .