1.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором (мдп-транзисторы)

1.3.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом

Структурное устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом, каналом р-типа показано на рис. 9.

Рис. 9

Методами полупроводниковых технологий в полупроводниках n-типа создаются две сильнолегированные зоны p⁺-типа, образующие истоковую и стоковую области. Область поверхности между ними изолируется с помощью диэлектрика (SiO2), а на поверхность диэлектрика наносят металлический электрод − затвор. Образуется система металл-диэлектрик-полупроводник.

При напряжении на затворе U_зи = 0, ток между стоком и истоком ничтожно мал, так как он определяется только токами через встречно включенные p-n-переходы. При подаче отрицательного смещения на затвор (U_зи < 0) из приповерхностного слоя полупроводника n-типа происходит вытеснение основных носителей электронов, и при некотором напряжении U_зи = U_{зи пор} < 0 происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника. В результате образуется инверсный поверхностный слой или индуцируется канал p-типа. Этот канал соединяет области стока и истока. При дальнейшем увеличении напряжения U_зи происходит втягивание в канал дырок из р⁺-областей, то есть возрастает концентрация носителей заряда в канале, что ведет к снижению сопротивления канала.

Протекание тока в канале обеспечивается напряжением, приложенным между стоком и истоком, и носит дрейфовый характер.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять сопротивлением канала и величиной тока в канале.

Поскольку затвор изолирован от канала, ток в цепи затвора ничтожно мал, следовательно, ничтожно мала и мощность, необходимая для управления током в цепи исток−сток−R_н. Поэтому транзистор с изолированным затвором способен усиливать мощность сигнала.

1.3.1.А. Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом

Входная характеристика I_з = f(U_зи) при U_си − const. Вследствие изоляции затвора I_з » 0 при любых напряжениях на электродах. Поэтому данная характеристика практически не рассматривается.

Семейство выходных характеристик I_с = f(U_си) при U_зи − const, представлено на рис. 10.

Рис. 10

Характеристики подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим переходом. При U_си < U_{си нас}, ток I_с изменяется почти линейно. При U_си > U_{си нас} наступает насыщение тока вследствие сужения канала. При увеличении U_зи снижается сопротивление канала. Поэтому ток насыщения растет.

Семейство передаточных характеристик I_с = f(U_зи) при U_си − const представлено

Рис. 11

на рис. 11. При напряжении на затворе, превышающем U_{зи пор} индуцируется проводящий канал, проводимость которого растет с ростом напряжения U_зи. Поэтому наблюдается рост тока в канале I_с. Напряжение U_си влияет слабо на ток стока I_с, так как при U_си>U_{си нас} канал находится в режиме насыщения.

1.3.2. МДП-транзистор со встроенным каналом

Структурное устройство МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа представлено на рис. 12.

Рис. 12

В кристалле n-типа путем диффузии образуются две сильнолегированные области – сток и исток. Эти области соединяются тонким поверхностным слаболегированным слоем – встроенным каналом р-типа. Над каналом располагается металлический затвор, иэолированный от канала слоем диэлектрика – образуется система металл-диэлектрик-полупроводник.

Изоляция транзистора от подложки выполняет с помощью запирающего обедненного слоя р-n-перехода. Для этого на подложку подают обратное напряжение смещения или соединяют подложку с истоком.

При отсутствии напряжения на затворе в канале имеется некоторое количество дырок, которые обеспечивают прохождение тока между стоком и истоком.

При подаче отрицательного напряжения на затвор, электрические поля затвора втягивают в канал дополнительное количество дырок, обогащая его основными носителями и снижая его сопротивление.

При положительном напряжении на затворе дырки вытесняются из канала. Проходит объединение канала основными носителями, сопротивление канала увеличивается. При некотором напряжении U_зи = U_{зи отс} > 0 практически все основные носители вытесняются из канала и ток в канале падает до нуля.

Протекание тока в канале I_с обеспечивается напряжением, приложенным между истоком и стоком и носит дрейфовый характер.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе можно управлять сопротивлением канала и величиной тока в канале.

Возможность управления током с помощью изолированного затвора определяет способность МДП-транзистора со встроенным каналом усиливать мощность сигнала.

Особенностью МДП-транзистора со встроенным каналом является возможность управления током в канале как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе.