2. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.6. а,

б , в и г соответственно. Образование встроенного канала с инверсным типом проводимости при контакте металл-узкозоный проводник подробно описано в Лекции 6. “Контакты металл-полупроводник”.

Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа в режиме обогащения показана на рис.7. Диаграмма изображена в сечении вдоль оси х см. рис.6.б.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором с каналом n-типа приведены на рис.8 а и б.

3. Комплиментарные металл-окисел-полупроводник структуры

Комплиментарные (дополнительные по типу проводимости) МОП структуры (КМОП) состоят из двух полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом, один из которых имеет канал p-типа, а другой – n-типа. Схема включения КМОП-структуры показана на рис.9, а. Пороговое напряжение МОП транзистора с каналом n-типа – U_пор1, а с каналом p-типа – U_пор2. Если подать на вход схемы напряжение питания U>U_пор1, то в нижнем транзисторе образуется индуцированный канал n-типа. В верхнем транзисторе канала нет. На выходе схемы будет напряжение U_вых=0. Если подать на вход U_вх=0 (соединить вход с “нулевым” проводом), то при U_пит>U_пор2, в верхнем транзисторе образуется индуцированный кнал p-типа. В нижнем транзисторе канала нет. Выходное напряжение будет равно напряжению питания U_вых=U. Получился типичный инвертор напряжения.

Ч ем КМОП структура лучше простого инвертора (рис.9, б)? Сравним проходные характеристики КМОП структуры и простого (рис.10, а и б). Если простой инвертор находится в открытом состоянии, то через него течет максимальный ток, если в закрытом, то тока практически нет. Через КМОП структуру ток течет только в момент ее переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В обоих устойчивых состояниях ток не течет. В микропроцессорах много переключающих элементов, их обычное состояние – половина открыта, а половина закрыта. Поэтому в статическом положении микропроцессоры на обычных инверторах потребляют большую энергию, а КМОП структуры ее не потребляют. Поэтому КМОП структуры выгоднее применять в устройствах у которых мала частота переключения, например в электронных часах. Обычные инверторы выгоднее применять при больших частотах переключения.

4. V-МОП -транзисторы

Для создания мощного полевого транзистора необходимо учесть особенности работы мощных транзисторов:

1) Работа при выходных больших токах I и больших плотностях токов J, для этого надо создать транзистор с большой крутизной проходной характеристики,

2) Для обеспечения большой мощности в нагрузке используют источники питания с большим напряжением, поэтому транзистор должен работать с большими напряжениями на стоке U_с,

3) Необходимо иметь большой коэффициент полезного действия η для этого должно быть малое падение напряжения на полностью открытом канале, т.е. внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения r_нас должно быть мало,

4) Конструкция мощного транзистора должна обеспечивать эффективный теплоотвод,

5) Мощные транзисторы должны быть достаточно быстродействующими.

П лотности токов J для Ge – 100А/см², Si – 200А/см², GaAs – 100А/см², поэтому мощные транзисторы как правило изготавливают на основе кремния. На рис.11 приведен вид сверху на маломощный полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. Укорачивая длину затвора l при постоянной ширине канала h можно уменьшить сопротивление канала. Расширяя канал при постоянной длине канала можно пропускать большие токи. Крутизна проходной характеристики , поэтому у мощного транзистора должен быть короткий широкий канал. Но, приближая исток к стоку можно получить электрический пробой при малых напряжениях на стоке U_с. Лавинный пробой происходит через тонкий слой диэлектрика (или по поверхности) между истоком и затвором.

Для устранения этого противоречия и создания мощных транзисторов, рассчитанных на большие токи с большой крутизной S, делают V-образные структуры как показано на рис.12. При такой конструкции получается транзистор с коротким и широким каналом, в котором затвор и сток пространственно разнесены. Для уменьшения r_нас используют высоколегированные области n+ под истоком и над стоком. Для увеличения выходного тока на одном кристалле изготавливают несколько транзисторов и включают их параллельно. Для отвода тепла на массивный электрод стока устанавливают внешний радиатор.