14

Полевые транзисторы

Принцип действия транзистора основан на эффекте поля – изменении концентрации носителей в канале и его проводимости. Можно сразу отметить сходные черты с БП транзистором.

С труктурная схема полевого транзистора (3 вида) Полевые транзисторы бывают трех типов: МДП, с р-п переходом и с барьером Шотки. Рассмотрим вначале МДП транзистор.

Физические процессы в мдп структурах.

Эффект поля – изменение концентрации свободных носителей в слое между диэлектриком и полупроводником под действием поля, приложенного между затвором и подложкой.

В зависимости от знака и величины напряжения получается три режима: обеднения, инверсии и обогащения.

Обеднение

Небольшие положительные напряжения. Дырки отходят от затвора. Электронов мало. Образуется обедненный слой. В этом слое находятся нескомпенсированный заряд ионов акцептора. Плотность заряда, будем считать, имеет постоянную плотность:

Подставляя это в уравнение Пуассона и интегрируя, можно получить толщину обедненного слоя:

Поверхностный потенциал – разность потенциалов между точкой на границе полупроводника и диэлектрика и в глубине, где нет поля.

В пределах обедненного слоя существует поле, следовательно есть дрейфовое движение зарядов, которое уравновешено диффузией.

Решение уравнений после подстановки в них выражений для токов:

и (4)

дает:

(5)

Инверсный режим.

Инверсным режимом считается такой режим, когда поверхностная концентрация электронов становится равной концентрации акцепторов.

Подставив в (5) n_пов = N_a, и приравняв концентрации электронов и дырок, получим:

Для типичного значения N_a = 10¹⁶ _пор = 0.7В.

В плазме или полупроводниках происходит экранировка зарядов. Нарисуем потенциал (кулоновский и с экранировкой). Вводится длина экранирования (Дебая).

Для инверсного слоя ситуация аналогична. Записывая уравнения Пуассона и распределение Больцмана в электрическом потенциале, можно получить:

где

дебаевская длина экранирования.

Для оценок можно его принять за толщину инверсного слоя. При N_a = 10¹⁶ L_D=0.04мкм.

Обогащение

При отрицательном напряжении дырки притягиваются к затвору. Напряженность поля и концентрация спадают по экспоненте с характерной дебаевской длиной.

Пороговое напряжение.

Пороговое напряжение – это напряжение затвор – подложка, при котором формируется инверсный слой. Оно отличается от порогового потенциала тем, что нужно к нему прибавить падение напряжения на диэлектрике. Его вычисляют, исходя из условия нейтральности (равенства зарядов). Все рассуждения для поверхностной плотности зарядов.

(9) Пороговый потенциал + напряжение на конденсаторе

(10) Условие сохранения заряда, заряд на затворе

Пренебрегая зарядом в инверсном слое, и учтя

емкость на ед. площади.

получим:

При повышении напряжения выше порогового толщина обедненного слоя и его заряд меняются слабо. Все изменения происходят на затворе и инверсном слое. Тогда:

И з (10)

из (9)

из (9) . При пороговом напряжении заряд на затворе примерно равен заряду обедненного слоя. Т.е. . Отсюда и получается формула.

В реальной структуре.

1. Существует положительный поверхностный заряд. Он снижает пороговое напряжение. Может стать отрицательным.

2. Есть потенциал на контакте полупроводник – подложка.

3. Специальное легирование. Доноры (положительные ионы) понижают порог, акцепторы наоборот.

Разновидности транзисторов.

Если канала нет при U = 0, то это транзистор с индуцированным каналом, или нормально закрытый.

Если есть, то транзистор со встроенным каналом.

Поверхностный и углубленный каналы. n и р типы каналов. Обозначения.

Это встроенный канал n типа. р типа – стрелка в другую сторону, индуцированные каналы – штриховая линия.