Материал: Физические основы электроники

Структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл – окисел (диэлектрик) – полупроводник; такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал – окисел – полупроводник), или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник).

4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p-типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа

(в нашем случае n -типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния SiO2 ) толщиной порядка 0,1 мкм, а на нем методом

напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания [называемого подложкой (П)] также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Рис. 4.6. Структура полевого транзистора

с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа

Если в отсутствие напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение Uси любой полярности, то через канал поте-

чет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, т. к. один из p–n-переходов будет находиться под действием обратного напряжения.

151

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим назы-

вается режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и характеристика управления (рис. 4.7, б).

Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p–n-переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения Uси от нуля сначала

действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении Uси канал начинает

сужаться в большей мере возле стока, т. к. на p–n-переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение; область этого перехо-

152

да, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения Uси , при котором наступает электрический пробой.

Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n-типа, токопроводящий канал должен быть p-типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.

СС

Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом

Устройство такого транзистора показано на рис. 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока.

Рис. 4.9. Структура полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа

При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, т. к. один из p–n-пере- ходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение по-

153

ложительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области, и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа, и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.

Если кристалл полупроводника имеет электропроводность n-типа, то области истока и стока должны быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Uзи3 Uзи 2

Активная

Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа

СС

Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

154

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис. 4.11.

В последнее время МДП-транзисторы все чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Выводы

1.Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.

2.В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.

3.Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.

4.Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

5.Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора

МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обобщающее сравнение транзисторов этих двух типов.

Внастоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные

вряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда.

155