4 .2. Устройство и принцип действия мдп-транзистора.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором показано на рис.4.4.

В исходной подложке (П) р-типа (используется обычно кремний) создаются две области, концентрации доно­ров в которых значительно превышают концентрация) акцепторов в подложке. Со­ответственно образуются два перехода. Эти области представляют собой электроды истока (И) и стока (С). Истоком называют тот электрод, из которого основные носители начинают свое движение к стоку. Следовательно сток - это электрод, куда поступают носи­тели. Металлический электрод, создающий эффект поля называют затвором (З). Он изолирован от подложки слоем диэлектрика в ка­честве которого чаще всего используется двуокись кремния . Исток, обычно, электрически соединяют с подложкой.

Представленный на рис.4.4 транзистор получил название МДП-транзистор* с индуцированным каналом типа n.

*Равнозначны все названия транзисторов с отечественными и английскими аббравиатурами:

МДП – Металл Диэлектрик Полупроводник. МОП – Металл Окисел Полупроводник.

MOS – Metal Oxide Semiconductor.

Если тип подложки и областей истока и стока изменить, то такой транзистор называют МДП-транзистором с индуцированным каналом типа p. Подложку у транзисторов выполняют из материала с высоким удельным сопротивлением, с тем, чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока. Следует отметить, что n – канальные транзисторы имеют более высокое быстродействие, так как подвижность носителей (электронов) в несколько раз превышает подвижность дырок . На рис.4.5 показано условное графическое обозначение МДП-транзисторов с индуцированным каналом.

П ринцип действия МДП-транзистора иллюстрируется рисунком 4.6. При нулевом напряжении на зат­воре относительно истока и нали­чии напряжения на стоке ток сто­ка практически равен нулю, так как сопротивление исток-сток весьма велико за счет двух встречно включенных переходов. Если на затвор подать отрицательное напряже­ния , то приповерхностный слой обогатится дырка­ми, но сопротивление исток-сток по-прежнему будет высоким и ток стока практически не изменится. При подаче на затвор положитель­ного напряжения, т.е. , сначала с увеличением его бу­дет происходить обеднение поверхностного слоя основными носите­лями – дырками и обогащение его неосновными носителями - электронами. При превышении некоторого значения напряжения на затворе, называе­мого пороговым напряжением , образуется инверсионный слой, в котором носителями тока будут являться электроны. Этот слой играет роль токопроводящего канала соединяющего исток и сток (рис.4.6,а). Вместе с образованием канала под ним возникает обедненная область пространственного заряда - область отрицательно ионизированных атомов акцепторов.

Электрическое поле, возникающее под затвором, ограничено относительно узким участком: силовые линии начинаются на затворе и кончаются на отрицательных зарядах - электронах и ионизирован­ных атомах акцепторов. На рис.4.6,а это поле для упрощения показано только между затвором и поверхностью полупроводника. Так как этот случай соответствует отсутствий тока через канал, , то потен­циал поверхности по­лупроводника одина­ков и равен . Поле под затвором оказывается в этом случае однородным, а толщина канала одина­кова по всей длине.

Включение поло­жительного напряжения между истоком и сто­ком приводит к появлению продольной составляю­щей электрического поля (рис.4.6,б,в), под воздействием которого электроны начинают двигаться от истока к стоку через инверсионный канал. Возникает ток стока . С изменением положительного напряжения на затворе будет меняться первоначальная толщина канала и концентрация электронов в нем. Соответственно будет изменяться и ток стока.

Протекающий ток стока создает на омическом сопротивлении канала продольное падение напряжения. Так, на участке канала длинною х ( х отсчитывается от истока), падение напряжения будет равно . При изменении x от 0 до L (L - длина канала) будет изменяться от 0 до . Соответственно разность потенциалов между затвором и каналом оказывается равной и она будет изменяться в направаеник от истока к стоку от до . Это в свою очередь приводит к уменьшению нор­мальной составляющей поля затвора, концентрации электронов в канале и его толщины по мере приближения к стоку. Наряду с этим толщина области объемного заряда в этом же направлении увеличива­ется вследствие возрастания разности потенциалов между каналом и подложкой (рис.4.6,б,в).

Т аким образом, протекающий ток стока влияет ка конфигурацию инверсионного канала и, следовательно, на его сопротивление, а поэтому и на вид зависимости тока стока от напряжения на стоке. На рис.4.7. показано семейство зависимостей для различных напряжений . Рассмотрим в качестве примера зависимость при (рис.4.7).

Н а начальном участке характеристики, где ток стока мал, падение напряжения на канале незначительное и конфигурация канала не меняется. Он ведет себя как линейное сопротивление, и зависимость отвечает закону Ома (участок Оа, рис.4.7). В дальнейшем, по мере возрастания , происходит сужение канала (рис.4.6,б) и увеличение его сопротивления . Рост тока стока замедляется (участок ab, рис.4.7). При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения , разность потенциалов между затвором и каналом у стока становится равной пороговому значению, т.е. . Происходит перекрытие канала у стока (рис.4.6,в) и дальнейший рост тока стока с увеличением прекращаетея - наступает насыщение тока стока (участок bc, рис.4.7). Последнее обьясняется тем, что при происходит укорочение канала - точка перекрытия сдвигается к истоку - на величину (рис.4.8,а). На участке на поверхность полупроводника "выходит" объемный заряд ионизированных атомов акцепторов. Сопротивление этого участка оказывается высоким и, кроме того, возрастает с ростом за счет увеличения , пропорционально . Поэтому ток стока и остается неизменным. Заметим, что в точке перекрытия разность потенциалов между затвором и каналом также не меняется и равна .

Наличие объемного заряда не язляется препятствием для протекания тока. Здесь возника­ет сильное тянущее поле (про­дольная составляющая (рис.4.8,б} за счет которой но­сители тока в канале продолжают свое движение к стоку. Если увеличить напряжение по сравнению с , то канал еще больше обогатится электронами, его первоначальное сопротивление уменьшится и соответствующая зависимость пройдет выше (рис.4.7). Насыщение тока стока наступит при большем напряжении на стоке.