Полевые МДП транзисторы

Управление проводимостью полупроводника электрическим полем

Для понимания процессов влияния электрического поля на проводимость полупроводника рассмотрим МДПМ конденсатор, который представляет собой систему чередующихся слоев: металл (Ме₁); диэлектрик (Д); полупроводник р или n типа; металл (Ме₂). К слою Ме₁ прикрепляется управляющий электрод (УЭ); к слою Ме₂ прикрепляется электрод, который обычно называют “подложка” (П).

Пусть полупроводник является слабо легированным дырочным полупроводником (р-тип проводимости), контакт между подложкой и полупроводником является невыпрямляющим (омическим). Структура МДПМ конденсатора и его энергетических зон даны на рис. 5.1, 5.2.

Рис. 5.1. Структура МДПМ конденсатора Рис. 5.2. Схема энергетических уровней
МДПМ конденсатора

Рассмотрим явления, происходящие в тонком слое полупроводника, прилегающего к границе “диэлектрик-полупроводник” (слой А), при подаче на УЭ электрического потенциала относительно подложки П (потенциал подложки в дальнейшем будем считать равным нулю).

1. При подаче на УЭ отрицательного потенциала (U_УЭ < 0) в полупроводнике в течение короткого промежутка времени будет существовать электрическое поле, под действием которого произойдет перераспределение зарядов (электростатическая индукция). В слое А увеличится концентрация дырок р' > р, что приведет к увеличению проводимости слоя А. Рассмотренный режим работы МДПМ конденсатора называют режимом обогащения. Схема энергетических зон МДПМ конденсатора в режиме обогащения дана на рис. 5.3 а.

2. При подаче на УЭ небольшого положительного потенциала U_УЭ в слое А полупроводника из-за электростатической индукции концентрация дырок уменьшится р' < р , что приведет к уменьшению проводимости слоя А (режим обеднения). Концентрация электронов в слое А при этом несколько увеличится, но при небольших U_УЭ n_p' < p', поэтому незначительное увеличение концентрации электронов в слое А не сможет существенно изменить проводимость этого слоя. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме обеднения дана на рис. 5.3 б.

а б в

Рис. 5.3. Структура МДПМ конденсатора и схема его энергетических уровней
при наличии смещения: а – режим обогащения; б – режим обеднения;
в – режим инверсной проводимости n–типа

3. При подаче на УЭ достаточно большого положительного потенциала U_УЭ слой А разделится на два подслоя А₁ и А₂. Слой А₂ останется в режиме обеднения. В слое А₁ концентрация электронов превысит концентрацию дырок n' > р', то есть под действием электростатической индукции изменится тип проводимости. Изменение типа проводимости полупроводника под влиянием внешнего электрического поля называют индуцированной инверсией проводимости. Напряжение, при котором появляется инверсия проводимости, называют напряжением инверсии U_инв. При выполнении условия U_УЭ > U_инв при дальнейшем увеличении управляющего потенциала слой индуцированной электронной проводимости будет расширяться и проводимость этого слоя увеличится. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме индуцированной проводимости дана на рис. 5.3 б.

Структура МДП транзистора

Полевой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистор представляет собою полупроводниковый прибор, имеющий, как правило, четыре выхода: исток, сток, затвор и подложку. В транзисторах малой и средней мощности исток и подложку соединяют внутри корпуса транзистора. Таким образом маломощный полевой МДП транзистор обычно имеет три электрода: исток (И), сток (С) и затвор (З).

Основой транзистора является слаболегированная кремниевая полупроводниковая пластина р-типа. Верхнюю часть пластины обжигают в кислороде, в результате чего на ее поверхности образуется тонкий диэлектрический слой кварцевого стекла (SiO₂). В слое SiO₂ вытравливаются две полоски (расположены перпендикулярно плоскости чертежа); через образовавшиеся “окна” внедряется донорная примесь для образования слоев электронной проводимости (образуются слои истока и стока). Затем вакуумным напылением наносят металлические контакты к истоку и стоку. В средней части пластины (над каналом) на слой SiO₂ напыляют третий электрод – затвор. Нижнюю поверхность пластины также металлизируют, образовавшийся при этом электрод (подложка) делает электрическое поле внутри транзистора более однородным.

Существуют две разновидности полевых МДП транзисторов.

В транзисторах со встроенным каналом (рис. 5.4) области истока и стока соединены постоянным каналом с тем же типом проводимости, канал расположен под изолированным затвором.

а б

Рис. 5.4. Полевой МДП транзистор с встроенным каналом n-типа:

а – структуратранзистора; б – схемное обозначение

При подаче на затвор (затвор в МДП транзисторе играет роль управляющего электрода) положительного относительно подложки потенциала U _ЗИ > 0 некоторое количество электронов втянется в канал, проводимость канала увеличится (режим обогащения). При подаче на затвор отрицательного потенциала U _З < 0 часть электронов уйдет из канала, проводимость канала уменьшится (режим обеднения). Напряжение на затворе отрицательной полярности, необходимое для полного перекрытия канала, называют напряжением отсечки U _отс. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы со встроенным каналом р-типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

а б

Рис. 5.5. Полевой МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа:

а – структуратранзистора; б – схемное обозначение

В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 5.5) области истока и стока отделены друг от друга слоем полупроводника другого типа проводимости.

При потенциале на затворе положительной полярности U_ЗИ < U_инв канал между истоком и стоком отсутствует. При подаче на затвор достаточно высокого потенциала U_ЗИ > U_инв под ним индуцируется тонкий слой инверсной индуцированной проводимости, в результате чего возникает проводящий канал n-типа. Напряжение на затворе, при котором создается заметная проводимость канала, называется пороговым напряжением U_пор. При увеличении U_ЗИ проводимость канала возрастает, при уменьшении U_ЗИ проводимость канала уменьшается. Напряжение отсечки U_отс = U_пор. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы с индуцированным каналом р-типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

В процессе работы полевого транзистора участвуют основные носители, находящиеся в канале транзистора, поэтому их также называют униполярными или канальными транзисторами. Для маломощных (менее 0,5 Вт) МДП транзисторов наиболее типичными являются размеры: толщина полупроводниковой пластинки ~ 150 мкм, толщина канала ~ 2-3 нм, длина канала ~ 5 мкм, толщина диэлектрика (SiO₂) ~ 0,15 мкм. В настоящее время разработаны также силовые полевые транзисторы большой мощности, способные управлять токами в несколько сотен ампер.

Включение МДП транзистора в статическом режиме

Рассмотрим работу полевого МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа. Схема включения МДП транзистора в статическом режиме дана на рис. 5.6.

Источник U_СИ обеспечивает ток в цепи “сток – исток”. Движение основных носителей по каналу в полевом транзисторе осуществляется от истока к стоку. В транзисторе с каналом n-типа носителями являются электроны, поэтому сток С соединяют с положительным полюсом источника U_СИ (в транзисторе с каналом р-типа С соединяют с отрицательным полюсом источника). Источник U_ЗИ создает положительное смещение в структуре З-SiO₂-р-П, которая представляет собой рассмотренный ранее МДПМ конденсатор. При U_ЗИ ‡ U_пор под затвором индуцируется канал инверсной проводимости n-типа, соединяющий области стока и истока, в результате чего в цепи стока возникает ток.

Примерная зависимость I_С(U_ЗИ) при фиксированном значении U_СИ (сток-затворная характеристика) дана на рис. 5.7. В статическом режиме работы ток в цепи затвора практически отсутствует, так как сопротивление пленки SiO₂, отделяющей затвор от полупроводниковой пластинки, составляет несколько ГОм .

Зависимость I_С(U_СИ) при фиксированном значении U_ЗИ называют выходной характеристикой. Примерный вид выходных характеристик МДП транзистора с индуцированным каналом инверсионной проводимости при разных значениях U_ЗИ (U_{ЗИ 3} > U_{ЗИ 2} > U_{ЗИ 1} > U_пор) представлен на рис. 5.8.

Рис. 5.7 Рис. 5.8