Раздел 3. Устройство и принцип действия полевого транзистора с мдп структурой.

Свое название этот тип полевых транзисторов получил из-за своей структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Поскольку в качестве диэлектрика обычно используется окисел, то их называют МОП транзисторы. Каждый прибор состоит из подложки и расположенных в ее объеме двух сильно легированных противоположной относительно подложки примесью областей, (называемых истоком и стоком и обычно геометрически симметричных, хотя и необязательно) и металлического затвора, расположенного на поверхности тонкого (порядка 0,1 мкм толщины) слоя диэлектрика (обычно окисла материала подложки), как это показано на рис. 1.6.

Принцип действия полевого МДП транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между истоком и стоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду - затвору, отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика.

Подложка p-типа

n⁺

n⁺

и

з

с

окисел

Рис.1.6.Структура МОП транзистора.

Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде тонких скрещенных линий. Есть две разновидности МДП транзисторов - с индуцированным каналом и встроенным каналом. В МДП транзисторе с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. В МДП транзисторе со встроенным каналом он создан технологическими средствами и присутствует всегда. Поскольку технология транзисторов с индуцированным каналом проще, то они имеют преимущественное распространение.

При подаче потенциала между истоком и стоком ток в цепи отсутствует, т.к. один из имеющихся p-n переходов будет заперт. Если подать на затвор отрицательный потенциал, то приповерхностный слой на границе раздела подложка-диэлектрик обогатится дырками и ситуация не изменится. При подаче положительного потенциала основные носители подложки - дырки - будут оттесняться электрическим полем в подложку, а неосновные - электроны - начнут подтягиваться к границе раздела. При увеличении потенциала на затворе приповерхностный слой будет все более обедняться основными носителями и обогащаться неосновными. При каком-то значении потенциала (называемом пороговым) концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдет инверсия (изменение типа проводимости) канала и через него потечет ток. Толщина канала в современных МДП транзисторах менее 100 ангстрем.

Следует отметить необходимость строго точного расположения металлической обкладки затвора над областью канала, поскольку управляющее электрическое поле создает канал только в области своей геометрии, поэтому при меньшей площади затвора на краях канал образовываться не будет и работоспособность прибора будет нарушена.

Индуцированный канал, в зависимости от структуры транзистора может быть p и n типа, но поскольку подвижность электронов (а стало быть и быстродействие прибора) в 2,5 раза выше, чем дырок, то транзисторы с n каналом более предпочтительны. Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с p и n каналами называются комплементарными, поскольку необходимым условием их работы является комплементарность пороговых напряжений на затворе. Одной из основных характеристик полевого МДП транзистора является стоковая характеристика, представляющая собой зависимость тока стока (I_c) от напряжения исток - сток, как это показано на рис.1.7.

I_с,мкА

10

20

30

U_с

_B

1 2 3 4

2

1

Рис.1.7. Статические ВАХ полевого МДП транзистора

Если напряжение U_ис равно нулю, то поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала везде одинакова. Если U_си> 0, то вследствие протекания тока потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Следовательно, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается, что приводит к сужению толщины канала вблизи стока. При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения, разность потенциалов между затвором и поверхностью вблизи стока становится равной 0. При этом же в этой точке становится равной 0 напряженность поля в диэлектрике, образуется горловина канала. После этого ток в рабочей цепи практически не зависит от напряжения на затворе и наступает насыщение, что соответствует пологому участку ВАХ (кривая 2 - для более высокого потенциала на затворе).

На практике пользуются эмпирическими выражениями для ВАХ:

Здесь b - удельная крутизна МДП транзистора:

где  - диэлектрическая проницаемость диэлектрика,  - приповерхностная подвижность носителей (обычно в 2-3 раза меньше объемной), W - ширина канала. Но это выражение описывает участок кривой для U_ис < U_н - напряжения насыщения. Для пологих участков ВАХ пользуются выражением:

Этому выражению соответствует так называемая стоко - затворная характеристика - зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении исток - сток - рис.1.8. Приведенные эмпирические выражения широко используются на практике, однако надо иметь в виду, что они дают большую погрешность при расчетах при высокой концентрации примесей - свыше 10¹⁵ см^-3, что чаще всего и имеет место.

I_c

U_з

2

1

U₀

Рис.1.7. Стоко-затворная характеристика МДП транзистора.

Ход стоко-затворной характеристики определяется величиной крутизны b, которая в свою очередь зависит от длины канала, ширины канала и толщины подзатворного диэлектрика, что легко понять из чисто физических соображений. Действительно, чем меньше длина канала, тем меньше его сопротивление, и, соответственно, тем больше ток при прочих равных и тем круче характеристика. Чем больше ширина канала - тем больше носителей участвует в процессе переноса тока и тем круче кривая 2 по отношению к кривой 1.. Чем тоньше подзатворный диэлектрик, тем легче электрическое поле проникает в полупроводник и тем раньше потечет ток. Следовательно, в этом случае стокозатворные характеристики будут соответствовать различным значениям порогового напряжения и исходить из разных начальных точек. В заключение следует сказать, что поскольку все характеристики и биполярного и полевых транзисторов зависят от числа носителей, то соответственно имеет место зависимость всех характеристик транзисторов от температуры, хотя мы ее рассматривать не будем.