Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы10

Лекция 10. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Содержание:

• Устройство полевых транзисторов со встроенным и индуцированным каналами.

• Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом и его статические характеристики.

• Статические характеристики ПТ с индуцированным каналом.

• Комплементарные МДП-транзисторы.

Устройство полевых транзисторов со встроенным и индуцированным каналами. МДП-транзистор – это разновидность полевого транзистора, у которого металлический затвор изолирован от полупроводника тонким слоем диэлектрика. Поперечное электрическое поле создается с помощью металлического затвора и влияет на подзатворный слой полупроводника (рис. 10-1).

Существует два типа МДП-транзисторов – со встроенным (рис. 10-1 а) и индуцированным (рис. 10-1 б) каналами. В транзисторе со встроенным каналом в подложке р-типа создается канал n-типа, соединяющий две области n⁺-типа, являющиеся контактами к концам канала и называемые истоком и стоком. В транзисторах с индуцированным каналом при нулевом потенциале на затворе канал отсутствует; он появляется только при некотором положительном потенциале на затворе (относительно подложки) за счет инверсии типа проводимости полупроводника под действием электрического поля затвора. МДП-транзисторы чаще всего изготавливаются на основе кремния, а диэлектриком служит SiO₂ (МОП-транзисторы).

Вследствие малой толщины слоя диэлектрика (десятые доли мкм) сравнительно небольшие напряжения на затворе создают в подзатворном слое полупроводника достаточно сильное электрическое поле, способное изменять проводимость канала.

Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом и его статические характеристики. МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как при положительной, так и при отрицательной полярности напряжения на затворе. При положительном напряжении область канала обогащается электронами, и его сопротивление уменьшается, а при отрицательном происходит обеднение канала. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым U_пор (или напряжением отсечки U_отс), за счет эффекта поля происходит инверсия типа проводимости канала (с n на р), и канал исчезает. При этом ток между истоком и стоком протекать не может.

Если подложку соединить с истоком, на затворе поддерживать постоянный потенциал U_з > U_пор и увеличивать напряжение U_cи, то канал будет сужаться около стока (рис. 10-2 а). В результате рост тока стока замедляется, а при U_cи = U_з - U_пор ток стока достигает насыщения. При дальнейшем росте U_cи ток стока медленно растет из-за уменьшения длины канала (рис. 10-2 б).

Стоковые выходные характеристики МДП транзистора со встроенным каналом аналогичны выходным ВАХ ПТ с управляющим р-n переходом, но имеют смысл как в режиме обеднения (U_зи < 0), так и в режиме обогащения (U_зи > 0). Семейство выходных ВАХ изображено на рис. 10-3 а).

Если U_cи имеет такое значение, что транзистор попадает в пологую область выходных ВАХ, то стоко-затворные ВАХ при различных напряжениях U_cи практически сливаются и хорошо аппроксимируются параболой:

.

В отличие от ПТ с управляющим р-n переходом МДП транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения Uзи < 0, так и в режиме обогащения Uзи  > 0.

Статические характеристики ПТ с индуцированным каналом. В ПТ с индуцированным каналом сам канал образуется за счет действия напряжения, приложенного к затвору U_зи , когда U_зи достигает порогового напряжения U_пор . В отличие от МДП транзистора со встроенным каналом, транзистор с индуцированным каналом проводит ток только в режиме обогащения (при U_зи > U_пор ), т.е. является нормально закрытым прибором. Выходные и стоко-затворные ВАХ приведены на рис. 10-4.

В общем случае подложка не соединена с истоком (например, в интегральных схемах, у которых подложка общая для всех транзисторов). Тогда на ток стока влияет не только напряжение U_зи , но и напряжение между истоком и подложкой U_пи. В дискретных МДП транзисторах подложка чаще всего соединена с истоком внутри прибора.

Стоко-затворные ВАХ аппроксимируются формулой

,

где b – удельная крутизна (величина b численно равна крутизне при Uзи - Uпор = 1 В).

Смысл названия b становится понятным, если вычислить крутизну

_.

При U_зи - U_пор = 1 В получаем S = b.

Комплементарные МДП-транзисторы. Комплементарные МДП-транзисторы (КМДП) представляют собой совокупность двух МДП-транзисторов с каналами разного типа проводимости (с n- и р-каналами), но практически одинаковыми параметрами (рис. 10-5). Такая комплементарная пара имеет общие затворы и общие стоки. Комплементарные КМОП пары нашли широкое применение в цифровых микросхемах в качестве инверторов. Особенностью динамики переключения КМОП пары является практически полная симметричность процессов заряда и разряда емкости нагрузки. Поэтому длительности отрицательного и положительного фронтов импульсов выходного напряжения почти одинаковы. Комплементарная пара в ключевом режиме имеет большее быстродействие, чем одиночный МДП транзистор.

Технология КМОП широко используется при изготовлении процессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти и т.п.

Условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 10-6.