Полевые транзисторы с изолированным затвором

В рассмотренном полевом транзисторе затвор отделен от канала обратно смещенным р-n-переходом. Однако затвор от канала можно отделить тонким изолирующим слоем, образовав его над каналом перед изготовлением электрода затвора. При очень тонком изолирующем слое проникновение поля в канал не ухудшается. Если для изолятора выбран материал с высоким сопротивлением, ток затвора может быть, чрезвычайно низким, не зависящем от полярности приложенного к затвору напряжения (в этом отличие от ПТ с р-n-переходом). Такие структуры называют полевыми транзисторами с изолированным затвором.

Структуры ПТ с изолированным

затвором

Структура транзистора показана на рис. 4.23. В подложке из полупроводника p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением созданы две сильнолегированные области n⁺-типа, одна из которых является истоком, другая – стоком. Обе области расположены на близком расстоянии друг от друга (5 – 50 мкм). Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,1 мкм) слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Подложку обычно соединяют с истоком. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, то есть МДП-структура.

Исходным полупроводником для ПТ с изолированным затвором в основном является кремний. Поэтому в качестве диэлектрика под затвором используется обычно слой двуокиси кремния SiO₂. Такой полевой транзистор называют ПТ типа металл- окисел-полупроводник или МОП-транзистором.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Условные обозначения МДП-транзисторов показаны на рис. 4.24.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

В данном приборе в исходном состоянии между стоком и истоком отсутствует токопроводящий канал. Высоколегированные n^+-области стока и истока с полупроводником подложки образуют p-n-переходы, поэтому при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n-переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока.

При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле через диэлектрик проникает в приповерхностный слой подложки и выталкивает из нее основные носители заряда (дырки), то есть у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой, состоящий из ионизированных нескомпенсированных атомов примеси.

Дальнейшее увеличение напряжения на затворе вызовет приток к поверхности подложки неосновных носителей заряда (электронов). При определенном значении напряжения U_зи, которое называется пороговым напряжением (U_{зи пор}), в тонком приповерхносном слое на границе с диэлектриком существенно увеличится концентрация электронов, т.е. в этом слое происходит изменение типа электропроводности с дырочной на электронную. Под затвором возникает инверсный слой, который и является проводящим каналом между стоком и истоком. Такой канал называют индуцированным (наведенным).

При изменении напряжения на затворе изменяется концентрация подвижных носителей в канале, а также толщина проводящего канала, изменяется его проводимость, а следовательно, и ток стока (I_c), протекающий в канале от истока к стоку, если между ними приложено напряжение U_си. Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Выходные статические характеристики – это зависимость:

.

Характер этой зависимости для МДП – транзистора аналогичен характеру таких же зависимостей для ПТ с управляющим переходом (рис. 4.25).

При заданном напряжении на затворе транзистора по мере увеличении напряжения U_си ток стока вначале увеличивается почти линейно (омическая область), затем скорость его возрастания уменьшается, при некоторых значениях (U_си.нас) ток стремится к постоянной величине (область насыщения), а далее резко возрастает (область пробоя).

В работающем транзисторе по каналу течет ток I_c, поэтому напряжение между затвором и каналом (из-за падения напряжения на сопротивлении канала) в различных поперечных сечениях оказывается неодинаковым, а изменяется от U_зи вблизи истока до напряжения (U_зи – U_си) вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше близи стока.

При U_си.нас = U_зи – U_зи.пор напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому напряжению, что приводит к перекрытию индуцированного канала вблизи стока (толщина канала в месте перекрытия очень мала), происходит ограничение тока стока так же, как в транзисторах с управляющим p-n–переходом.

Дальнейшее увеличение U_си приводит только к удлинению перекрытия, поэтому ток не растет. При увеличении напряжения на затворе ток стока увеличивается, и характеристики смещаются вверх. Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного типа работают в режиме обогащения. Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n–переходом работают в режиме обеднения.

Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)

Статическая характеристика передачи отражает зависимость:

.

Эта характеристика обычно приводится для режима насыщения. Характер статической характеристики передачи ясен из принципа действия транзистора с индуцированным каналом (рис. 4.26).

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В МДП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления технологическим путем между областями стока и истока создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока. Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами), и его проводимость будет увеличиваться, ток стока также.

При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит приток дырок из глубины полупроводника к каналу, и выталкивание из него электронов. Сопротивление канала увеличивается, а ток стока уменьшается. При некотором положительном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U_зи.отс), происходит инверсия типа электропроводности канала, и n-области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p-типа. Ток стока уменьшится до значения, равного значению обратного тока p-n-перехода.

Следовательно, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

Выходные (стоковые) характеристики и характеристики передачи МДП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рис. 4.27).

Статические дифференциальные параметры S, R_i определяются с помощью построений на статических характеристиках, а коэффициент µнаходят по внутреннему уравнению:

.

Как и в транзисторах с управляющим p-n-переходом параметры имеют тот же физический смысл и примерно те же значения, но входное сопротивление (R_зи) на несколько порядков больше входного сопротивления транзисторов с управляющим переходом и может составлять 10¹² ...10¹⁴ Ом.

Максимально допустимые параметры полевых транзисторов

Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся:

· максимально допустимые напряжения:

затвор – исток (U_{зи max});

затвор – сток (U_{зс max});

сток – исток (U_{си max});

сток – подложка (U_{сп max});

исток – подложка (U_{ип max});

затвор – подложка (U _{зп max});

· максимально допустимый постоянный ток стока (I_{с max});

· максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность (Р_max).

ТИРИСТОРЫ