22. 1. Вопросы

1. Опишите, чем конструкция полевого транзистора с р-п-переходом отличается от конструкгли биполярно­го транзистора.

2. Назовите три вывода полевого транзистора с р-п-пере- ходом.

3. Как прекратить ток через полевой транзистор с р-п-пе- реходом?

4. Дайте определения следующих терминов для полевого транзистора с р-п-переходом:

а. Обедненный слой.

б. Напряжение насыщения.

в. Исток.

г. Сток.

5. Нарисуйте схематические обозначения полевых транзи­сторов с р-п-переходом с p-каналом и с n-каналом и обо­значьте их выводы.

22. 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного типа

В полевых транзисторах с изолированным затвором не используют р-п-переход. Вместо него применяется метал­лический затвор, электрически изолированный от полупро­водникового канала тонким слоем окисла. Это устройство известно как полевой транзистор на основе структуры ме- талл-окисел-полупроводник (МОП транзистор).

Существует два типа таких транзисторов: устройства п-типа с n-каналами и устройства p-типа с p-каналами. Ус­тройства п-типа с n-каналами называются устройствами обедненного типа, так как они проводят ток при нулевом напряжении на затворе. В устройствах обедненного типа электроны являются носителями тока до тех пор, пока их количество не уменьшится благодаря приложенному к затвору смещению, так как при подаче на затвор отрица­тельного смещения, ток стока уменьшается. Устройства p-типа с p-каналами называются устройствами обогащен­

ного типа. В устройствах обогащенного типа поток элект­ронов обычно отсутствует до тех пор, пока на затвор не по­дано напряжение смещения. Хотя полевые транзисторы обедненного типа с p-каналом и транзисторы обогащенно­го типа с n-каналом и существуют, они обычно не исполь­зуются.

На рис. 23-7 изображено сечение полевого транзистора обедненного типа с n-каналом. Он образован имплантаци­ей n-канала в подложку p-типа. После этого на канал на­носится тонкий изолирующий слой двуокиси кремния, оставляющий края канала свободными для подсоединения выводов, стока и истока. После этого на изолирующий слой наносится тонкий металлический слой. Этот металличес­кий слой служит затвором. Дополнительный вывод подсо­единяется к подложке. Металлический затвор изолирован от полупроводникового канала, так что затвор и канал не образуют р-п-переход. Металлический затвор использует­ся для управления проводимостью канала так же, как и в полевом транзисторе с р-п-переходом.

Рис. 23-7. МОП тран­зистор обедненного типа с п-каналом.

Рис. 23-8. МОП транзи­стор обедненного типа с n-каналом и приложен­ным смещением.

На рис. 23-8 изображен полевой транзистор с изолиро­ванным затвором и каналом п-типа. Сток всегда имеет по­ложительный потенциал по отношению к истоку, как и в

полевом транзисторе с р-п-переходом. В канале п-типа ос­новными носителями являются электроны, обеспечиваю­щие ток стока (1_с), протекающий от истока к стоку. Вели­чиной тока стока управляет напряжение смещения (Е_зи), приложенное между затвором и истоком, как и в полевом транзисторе с р-п-переходом. Когда напряжение на истоке равно нулю, через устройство течет заметный ток стока, так как в канале имеется большое количество основных носи­телей (электронов). Когда на затворе отрицательный потен­циал по отношению к истоку, ток стока уменьшается вслед­ствие обеднения основных носителей. Если отрицательный потенциал достаточно велик, то ток стока падает до нуля. Основное различие между полевыми транзисторами с р-п-переходом и полевыми транзисторами с изолирован­ным затвором состоит в том, что на затворе полевого тран­зистора с изолированным затвором может также быть и по­ложительный потенциал по отношению к истоку. В поле­вом транзисторе с р-п-переходом нельзя подать такой потенциал на исток, так как в этом случае р-п-переход зат­вор-канал будет смещен в прямом направлении.

Когда напряжение на затворе полевого МОП-транзисто- ра обедненного типа положительно, изолирующий слой из двуокиси кремния предотвращает какой-либо ток через зат­вор. Входное сопротивление остается высоким, и в кана­ле появляется больше носителей (электронов), что увели­чивает его проводимость. Положительное напряжение на затворе может быть использовано для увеличения тока стока МОП транзистора, а отрицательное напряжение на затворе может быть использовано для уменьшения тока стока. Поскольку отрицательное напряжение подается на затвор для обеднения n-канала МОП транзистора, он назы­вается устройством обедненного режима. Когда напряжение на затворе равно нулю, через МОП транзистор течет боль­шой ток стока. Все устройства обедненного типа обычно от­крываются при напряжении на затворе, равном нулю.

Схематическое обозначение МОП транзистора обеднен­ного типа с n-каналом показано на рис. 23-9. Заметим, что

Сток(С)

Исток(И)

вывод затвора отделен от выводов стока и истока. Стрел­ка, направленная к подложке, указывает, что этот тран­зистор имеет канал n-типа. В некоторых МОП транзисто­рах подложка соединена внутри транзистора с истоком, и они не имеют отдельного вывода подложки.

Рис. 23-9. Схематичес­кое обозначение МОП транзистора обедненного типа с п-каналом.

МОП транзистор обедненного типа с n-каналом и пра­вильно поданным напряжением смещения изображен на рис. 23-10. Заметим, что он смещен точно так же, как и полевой транзистор с р-п-переходом и каналом n-типа. На­пряжение сток-исток (Е_си) должно всегда прикладывать­ся таким образом, чтобы сток имел положительный потен­циал по отношению к истоку. Напряжение затвор-исток (Е_ди) должно иметь обратную полярность. Подложка обыч­но соединяется с истоком либо внутри транзистора, либо снаружи. В специальных случаях подложка может быть соединена с затвором или с другой точкой цепи.

МОП транзистор обедненного типа может быть изготов­лен с каналом р-типа. Транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дыр­ки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отно­шению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении.

Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.

Рис. 23-10. Правиль­но смещенный МОП транзистор обедненно­го типа с п-каналом.

Сток(С)

Подложка (П)

Ф

Затвор (3)

Исток (И)

На рис. 23-11 показано схематическое обозначение МОП транзистора обедненного типа с p-каналом. Отличие от обо­значения МОП транзистора с n-каналом состоит в том, что стрелка направлена от подложки.

Рис. 23-11. Схема­тическое обозначе­ние МОП транзисто­ра обедненного типа с р-каналом.

МОП транзисторы обедненного типа как с п-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы сто­ка и истока можно поменять местами. В специальных слу­чаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.

23-2. Вопросы

1. Чем отличается конструкция МОП транзистора от кон­струкции полевого транзистора с р-п-переходом?

2. Опишите, как полевой МОП транзистор проводит ток.

3. В чем главное отличие работы МОП транзистора от ра­боты полевого транзистора с р-п-переходом?

4. Нарисуйте схематические обозначения МОП транзисто­ров с n-каналом и с p-каналом и обозначьте их выводы.

5. Какие выводы можно поменять местами в МОП тран­зисторе и в полевом транзисторе с р-п-переходом?

23-3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МОП ТРАНЗИСТОРЫ) ОБОГАЩЕННОГО ТИПА

МОП транзисторы обедненного типа являются откры­тыми в нормальном состоянии. Это означает, что они име­ют заметный ток стока при напряжении затвор-исток рав-

ном нулю. Это полезно во многих приложениях. Но так­же полезно иметь устройство, которое в нормальном состоя­нии закрыто; то есть устройство, проводящее ток только тогда, когда приложено напряжение Е_зи соответствующей величины. На рис. 23-12 изображен МОП транзистор, ра­ботающий как устройство, закрытое в нормальном состо­янии. Он подобен МОП транзистору обедненного типа, но не имеет проводящего канала. Вместо этого в подложку внедрены раздельные области стока и истока. На рисунке показана подложка n-типа и области стока и истока р-типа. Может быть также использована и обратная конфигурация. Расположение выводов такое же, как и у МОП транзисто­ра обедненного типа.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа должен быть смещен таким образом, чтобы на стоке был отрица­тельный потенциал по отношению к истоку. Когда к тран­зистору приложено только напряжение сток-исток (Е_си), ток стока отсутствует. Это обусловлено отсутствием про­водящего канала между истоком и стоком. Когда на зат­вор подается отрицательный потенциал по отношению к ис­току, дырки направляются к затвору, где они создают ка­нал р-типа, позволяющий протекать току от стока к истоку. При увеличении отрицательного напряжения на затворе размер канала увеличивается, что позволяет увеличиться и току стока. Увеличение напряжения на затворе позволяет увеличить ток стока.

Потенциал затвора МОП транзистора с p-каналом обо­гащенного типа может быть сделан положительным по от­ношению к истоку, и это не повлияет на работу транзис­тора. Ток стока в нормальном состоянии равен нулю и не

Метал- — лический затвор

Исток '

N

Подложка

Сток

Изолирую­щий слой

Рис. 23-12. МОП тран­зистор обогащенного

типа с р-каналом.

J§k

Ш ^РазД^{еп 5}

может быть уменьшен подачей положительного потенци­ала на затвор.

Схематическое обозначение МОП транзистора с р-кана- лом обогащенного типа показано на рис. 23-13. Оно анало­гично обозначению МОП транзистора с p-каналом обеднен­ного типа, за исключением того, что области истока, стока и подложки разделены пунктирной линией. Это показыва­ет, что транзистор в нормальном состоянии закрыт. Стрел­ка, направленная от подложки, обозначает канал р-типа.

МОП транзистор с p-каналом обогащенного типа с пра­вильно поданным напряжением смещения показан на рис. 23-14. Заметим, что Е_си делает сток МОП транзисто­ра отрицательным по отношению к истоку. Е_ди также де­лает затвор отрицательным по отношению к истоку. При увеличении Е_зи и подаче на затвор отрицательного потен­циала, появляется заметный ток стока. Подложка обыч­но соединяется с истоком, но в отдельных случаях подлож­ка и исток могут иметь различные потенциалы.

МОП транзисторы могут быть изготовлены с п-каналом обогащенного типа. Эти устройства работают с положитель­ным напряжением на затворе так, что электроны притя­гиваются по направлению к затвору и образуют канал п-типа. В остальном они работают так же, как и устрой­ства с каналом р-типа.

Рис. 23-13. Схематичес­кое обозначение МОП транзистора обогащен­ного типа с р-каналом.

Схематическое обозначение МОП транзистора с п-кана­лом обогащенного типа показано на рис. 23-15. Оно ана-

Сток(С)

Исток (И)

Рис. 23-14.. Правиль­но смещенный МОП транзистор обогащен­ного типа с р-каналом.

логично обозначению устройства с p-каналом за исключе­нием того, что стрелка направлена к подложке, обозначая канал n-типа. Правильно смещенный МОП транзистор с п- каналом обогащенного типа показан на рис. 23-16.

Сток(С)