2.3. Уніполярні транзистори.

Як вже відзначалось, робота уніполярного транзистора основана на використанні тільки одного типа носіїв – основних (або електронів, або дірок). Основним способом руху носіїв є дрейф в електричному полі. Для управління струмом у напівпровіднику при постійному електричному полі необхідно міняти або провідність напівпровідникової смуги, або її площу. На практиці використовують обидва способи, в основі яких лежить ефект поля. Тому уніполярні транзистори називають також польовими транзисторами. Смуга, по якій протікає струм, називають каналом. Звідки ще одна назва такого класу транзисторів – канальні транзистори.

Отже, польовим транзистором називають трьохелектродний напівпровідниковий прилад, в якому струм між двома електродами створюють основні носії заряду під дією електричного поля між цими електродами, і керування струмом здійснюється електричним полем, утвореним напругою, що прикладається до третього електроду.

Польові транзистори за своїми конструктивними особливостями поділяють на дві групи:

• Польові транзистори з керуючими n-p переходами (канальні або уніполярні);

• Польові транзистори з ізольованим затвором (МДН –транзистори).

В польовому транзисторі з керуючими n-p переходами тонкий шар напівпровідника n-типу (або p-типу), обмежений з обох боків n-p переходами, називається каналом. Різниця у принципі дії транзисторів з каналом n-типу або p-типу полягає лише у полярності напруг джерел живлення. Включення каналу в електричне коло забезпечується двома електродами, один із яких називається витоком (В), а другий – стоком (С)¹. Електрод, що приєднаний до областей p-типу (або n-типу), є керуючим і називається затвором (З). Електроди В, С, З відповідають емітеру, колектору і базі звичайного біполярного транзистора. Схематичне зображення конструкції і схема включення польового транзистора із керуючими n-p переходами з каналом n-типу наведена на рис. 2.27.

Рис. 2.27.

Струм в каналі І_С є рух основних носіїв (для каналу n-типу це електрони) під дією повздовжнього (відносно каналу) електричного поля, яке утворене прикладеною між витоком і стоком напругою від джерела живлення U_С. Величина струму в каналі залежить від напруги U_С, навантажувального опору і опору між витоком і стоком. Принцип роботи транзистора ґрунтується на проходженні струму І_С (струм стоку) по каналу, ефективна площа поперечного перерізу якого залежить від товщини n-p переходу. Джерело U_ЗВ створює від’ємну напругу на затворі, що призводить до збільшення товщини n-p переходу і зменшення струмоводного перерізу каналу. При незмінних U_С і R_н із зменшенням перерізу каналу збільшується опір між витоком та стоком і зменшується величина струму І_С. При повністю перекритому каналі струм каналу дорівнює нулю, а в колі стоку проходить лише малий залишковий струм – струм відсікання. Зменшення напруги на затворі викликає зменшення опору каналу і збільшенню струмі І_С. При підключенні послідовно з U_ЗВ джерела змінної напруги U_вх струм через канал буде змінюватись, повторюючи зміну вхідної напруги. Струм стоку, що проходить через навантаження R_н, створює на ньому падіння напруги, що змінюється за законом U_вх. При відповідному підборі величини R_н можна досягти підвищення рівня вихідної напруги U_вих в порівнянні з напругою на вході U_вх, тобто підсилити сигнал. Сімейство статичних вихідних (або стокових – І_С = f(U_С)) і вхідної (стокозатворної – І_С = φ(U_ЗВ)) характеристик польового транзистора з керуючими n-p переходами показано на рис. 2.28-а і на рис. 2.28-б відповідно.

а) б)

Рис. 2.28.

Отже, керування струмом стоку здійснюється не вхідним струмом, а напругою на затворі, яка утворює поперечне (відносно каналу) електричне поле.

При напрузі між затвором і витоком U_ЗВ = 0 із збільшенням додатної напруги U_С на стоці струм І_С буде зростати. Спочатку залежність І_С = f(U_С) буде майже лінійною (ділянка 0А на рис. 2.28-а). Однак, із збільшенням струму І_С збільшується падіння напруги на каналі і, відповідно, збільшується зворотна напруга для n-p переходів (особливо поблизу стоку), що призводить до звуження перерізу струмовідного каналу і уповільнює зростання струму І_С. Зрештою, біля стокового кінця канал звужується настільки, що подальше збільшення напруги вже не призводить до росту І_С (ділянка АВ на рис. 2.28-а). Цей режим називається режим насичення, а напруга U_С, при якій відбувається насичення, називається напругою насичення (U_{С нас.}). Якщо зняти залежність струму І_С від напруги U_С для ряду фіксованих напруг на затворі (U_ЗВ < 0), то можна отримати сімейство вихідних стокових характеристик польового транзистора.

Залежність І_С = φ(U_ЗВ) при U_С = const називається статичною стокозатворною вхідною характеристикою польового транзистора. Вона представлена одним графіком, оскільки всі характеристики цього сімейства для режиму насичення, що є робочим режимом, проходять дуже близько одна від одної.

Польові транзистори з ізольованим затвором мають структуру метал–діелектрик (або окисел – двоокис SiO₂)–напівпровідник. Тому їх ще називають МДН– або МОН–транзисторами. Принцип роботи цих приладів ґрунтується на ефекті поля в приповерхневому шарі напівпровідника.

Схематичні зображення конструкцій польових транзисторів з ізольованими затворами із індукованим (а) і вбудованим (б) каналами наведені на рис. 2.29 (Позначення: 1 – основа (підкладинка); 2 – області основи із р–провідністю; 3 – шар діелектрика; 4 – канал; 5 – електроди витоку і стоку).

а) б)

Рис. 2.29.

Основою приладу є пластинка (підкладинка) кристалічного слабколегованого кремнію із n– (або р–) провідністю (1). Області витоку і стоку уявляють собою ділянки основи сильно леговані домішками (2), що створюють протилежний відносно основи тип провідності – р–типу (або n–типу). Ці області мають електричний контакт із металевими плівками (5), до яких під’єднані електроди витоку (В) і стоку (С). Відстань між витоком і стоком складає біля 1 мкм. На цій ділянці розташована вузька слабколегована смужка кремнію із провідністю n–типу (або р–типу) – канал (4). Металева плівка затвору (З) ізольована від каналу шаром діелектрика товщиною близька 0,1 мкм (3). Області із високою концентрацією носіїв (2) утворюють із напівпровідником основи (1) n-p переходи, один із яких при будь якій полярності напруги на стоку відносно витоку виявляється включеним в зворотному напрямку і перешкоджає протіканню струму І_С. При відсутності керуючої напруги на затворі струмовідний канал між витоком і стоком відсутній. В робочому режимі транзистора (рис. 2.29-а) канал (4) виникає (індукується) під дією відповідної напруги на затворі. При від’ємній¹ напрузі на затворі електричне поле через діелектрик проникає в товщу основи, виштовхує неосновні носії заряду (електрони) і притягує основні носії – дірки, тобто збагачує його дірками. Пропорційно концентрації дірок і товщині каналу збільшується його провідність і відповідно струм стоку І_С. Мінімальна (від’ємна) напруга на затворі, при якій виникає струм стоку (тобто індукується канал), називається пороговою напругою U_{ЗВ пор.}.

МДН–транзистор із вбудованим каналом показаний на рис. 2.29-б. Він відмінний від транзистора із індукованим каналом лише тим, що струмовідний канал (4) створюють («вбудовують») технологічним шляхом у вигляді тонкого слабколегованого напівпровідникового шару, що з’єднує виток із стоком. В тонкому каналі струм І_С можливий при нульовій напрузі на затворі. Від’ємна напруга на затворі U_ЗВ виштовхує із каналу електрони і втягує дірки, тобто збагачує канал основними носіями і збільшує його провідність. При додатній напрузі U_ЗВ канал буде збіднюватись основними носіями (дірками), а його провідність зменшуватись пропорційно концентрації носіїв. Отже, на відміну від польового транзистора із n-p переходами, який може працювати тільки в режимі збіднення (звуження) каналу, МДН–транзистор може працювати із нульовою, від’ємною або додатною напругою на затворі.

Вихідні характеристики МДН–транзистора мають такий же вигляд, як і характеристики транзистора із n-p переходами. Різниця лише в тому, що характеристики МДН–транзистора охоплюють область додатних напруг між затвором і витоком.

Основними параметрами польових транзисторів є:

• Крутизна характеристики [мА/В] при U_С = const.

Цей параметр характеризує ефективність керуючої дії затвору і може бути визначеним за статичними характеристиками.

• Напруга відсікання U_{ЗВ відс.} – зворотна напруга на затворі, при якому струмовідний канал виявляється перекритим.

• Вхідний опір R_вх між затвором і витоком (в схемі із спільним витоком) при максимально допустимій напрузі між цими електродами . Оскільки керуючий перехід включений у зворотному напрямку, цей опір відносно великий у порівняння із вхідним опором біполярного транзистора.

• Вихідний опір R_вих характеризується тангенсом кута нахилу вихідних характеристик при U_ЗВ = const. В робочій області цей кут близький до нуля і, отже, вихідний опір виявляється достатньо великим (сотні кілоом).

Польові транзистори можуть використовуватись в схемах підсилювачів, генераторів, перемикачів як самостійно, так і в поєднанні із біполярними транзисторами. Перспективним є використання польових транзисторів (із ізольованим затвором) в цифрових і логічних схемах.

Графічні символи польових транзисторів:

– польовий транзистор із керуючим n-p переходом із каналом n–типу;

– польовий транзистор із керуючим n-p переходом із каналом p–типу;

– польовий транзистор із індукованим каналом р–типу;

– польовий транзистор із індукованим каналом n –типу.

Польові транзистори, так же як і біполярні, можуть бути включеними в коло за схемою із спільним затвором (СЗ) – рис. 2.30-а, із спільним витоком (СВ) – рис. 2.30-б і спільним стоком (СС) – рис. 2.30-в.

а) б) в)

Рис. 2.30.

Польові транзистори позначаються аналогічно біполярним, тільки другим елементом є буква П (польовий).

Особливий вид конструкції польового транзистора з ізольованим затвором отримав широке впровадження у різноманітних цифрових пристроях як вічко так званої флеш-пам’яті, що здатне зберігати один і більше біт інформації, тобто може знаходитись в одному із двох або більше стійких станів.

У найпростішому випадку кожне вічко пам’яті зберігає один біт інформації і складається із одного n-p-n польового транзистора із спеціальною ізольованою областю – «плаваючим» затвором, який здатний тривалий час (роками) зберігати заряд без витрачання електроенергії. Наявність або відсутність заряду на плаваючому затворі і кодує один біт інформації – наявність заряду сприймається як логічний «0», а його відсутність – як логічна «1». Схематично устрій такого елемента флеш-пам’яті на польовому транзисторі показаний на рис. 2.31.

Відповідні робочі напруги при обранні певного елемента пам’яті подаються на сток і керуючий затвор. Поведінка транзистора залежить від кількості електронів на «плаваючому» затворі.

а) б)

Рис. 2.32.

При читанні, у відсутності заряду на «плаваючому» затворі, під дією поля додатного заряду на керуючому затворі, утворюється n-канал у підкладинці між витоком і стоком, і виникає струм як і у розглянутого раніше звичайного польового транзистора із ізольованим затвором (рис.2.32-а).

При наявності від’ємного заряду на «плаваючому» затворі створене цим зарядом поле нейтралізує поле, створене керуючим затвором. Результуючого електричного поля недостатньо для утворення n-каналу. Отже, при звичайній для читання напрузі канал не з’являється, і струму між витоком і стоком не виникає (рис.2.32-б).

Запис інформації в таке вічко пам’яті, тобто розміщення заряду на «плаваючому» затворі здійснюється одним із двох способів (залежить від типу вічка): методом інжекції «гарячих» електронів або методом тунелювання електронів. Зняття заряду із «плаваючого» затвора здійснюється із використанням тунельного ефекту¹ (рис. 2.33).

а) б)

Рис. 2.33.

При занесенні інформації на сток і керуючий затвор подається висока напруга (причому на керуючий затвор подається напруга приблизно вдвічі вища). «Гарячі» електрони із каналу інжектуються на плаваючий затвор і змінюють вольт-амперні характеристики транзистора (рис. 2.33-а). Електрони називають «гарячими» через те, що вони мають високу енергію, достатню для здолання потенціального бар’єру, створеного тонкою плівкою діелектрика.

При стиранні інформації висока напруга подається на виток. На керуючий затвор подається висока від’ємна напруга. Електрони «тунелюють» на виток (рис. 2.33-б).

В останній час численні компанії почали випуск мікросхем флеш-пам’яті, в яких одне вічко пам’яті зберігає два біта. Технологія зберігання двох біт і більше (чотири біта) в одному вічку отримала назву MLC (multilevel cell – багаторівневе вічко).

У технології MLC використовується аналогова природа вічка пам’яті. Однобітне вічко пам’яті може приймати один із двох станів – «0» або «1». У флеш-пам’яті ці два стани різняться за величиною заряду, розміщеного на «плаваючому» затворі транзистора. На відміну від «звичайної» флеш-пам’яті, MLC здатна розрізняти більше двох величин зарядів, розміщених на «плаваючому» затворі, і, відповідно, більше число станів. При цьому кожному стану відповідає певна комбінація значень біт. Наприклад:

Стан 1 – 00;

Стан 2 – 01;

Стан 3 – 10;

Стан 4 – 11.

Під час запису на «плаваючий» затвор розміщується кількість заряду, що відповідає необхідному стану.