11

Лекция 11. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.1. а, б, в и г соответственно. Основой для изготовления полевого транзистора является кристалл полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой. В ней созданы две сильнолегированные области с противоположным (типу проводимости подложки) типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между истоком и стоком небольшое – порядка нескольких микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким, порядка 0.1мкм, слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрока и полупроводника (МДП). В МДП-транзисторе со встроенным каналом у поверхности полупроводника имеется слой с инверсным, относительно подложки, типом проводимости. Если в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO₂, то такие структуры носят название МДП (металл-окисел-полупроводник), а транзисторы – МДП-транзисторы.

Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом n –типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.2 (в вертикальном сечении под затвором вдоль оси х). В диаграмме сделано упрощение на границах металл-диэлектрик и диэлектрик- полупроводник n-типа не изображены искривления энергии дна зоны проводимости и верха валентной зоны. При этом использовано приближение плоских зон, согласно которому контактными разностями потенциалов (φ_к~0.1В) можно пренебречь по сравнению внешними напряжениями (U~1÷10В) и считать зоны плоскими.

Модуляция сопротивления проводящего канала МДП-транзистора может происходить при измерении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. Таким образом МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обогащения канала (зонная диаграмма приведена на рис.3), и режиме обеднения канала (зонная диаграмма показана на рис.4). На рис. 5 а и б представлены статические характеристики МДП-транзистора с каналом n-типа выходная и проходная. МДП-транзистор может работать без начального смещения. Затвор транзистора изолирован слоем диэлектрика, поэтому его входное сопротивление высокое 1÷10Мом.

Ширину канала можно изменять с изменяя напряжение на подложке, зто удоьно для модуляции.

В МДП-транзисторах могут произойти два вида электрического пробоя: 1. Лавинный пробой p-n-перехода под стоком (сток – подложка); 2. Тепловой пробой диэлектрика под затвором (затвор – канал). Механизм теплового пробоя: на барьерной емкости затвора накапливается статический электрический заряд, из-за дефектов в тонком слое диэлектрика, образуется тонкий шнур тока. В нем происходит локальное повышение температуры, что вызывает экспоненциальное увеличение количества пар электрон-дырка, сопротивление проводящего канала уменьшается и барьерная емкость разряжается с выделением добавочного тепла в тонком канале. Транзистор необратимо выходит из строя. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором необходимо защищать от статического электричества: хранить с закороченными выводами, паять на заземленном металлическом столе, паяльником с заземленным жалом, а оператору работать с заземляющим браслетом на руке.