Наряду с элементами на биполярных транзисторах в микроэлектронике широко используются элементы на полевых транзисторах, которые считаются лучшими элементами для больших интегральных схем.
Из полевых транзисторов (ПТ) при создании ЛЭ наибольшее распространение получили ПТ с изолированным затвором. Они имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник и кратко называются МДП-транзисторами. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел полупроводника, отсюда другое название – МОП-транзисторы.
Различают МДП-транзисторы с индуцированным каналом и МДП-транзисторы со встроенным каналом.
Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа показана на рис. 5.18а.
Рисунок 5.18. Принцип действия МДП-транзистора
В подложке из кремния n-типа с высоким удельным сопротивлением методом диффузии созданы две сильно легированные области p+-типа. Эти области отделены друг от друга встречно включенными ЭДП p+-n и n-p+. Поэтому если между этими p+-областями включить источник внешнего напряжения Ec, то при любой его полярности один из ЭДП окажется включенным в обратном направлении и в цепи будет протекать очень незначительный ток, являющийся обратным током закрытого ЭДП.
На поверхности полупроводника между p+-областями создают тонкий слой диоксида кремния SiO2, обладающего высокими диэлектрическими свойствами. На этот слой напыляется металлическая пленка, служащая управляющим электродом – затвором. Если к металлическому затвору приложить отрицательное относительно подложки напряжение, то под действием возникшего электрического поля с напряженностью EзП электроны начнут уходить от поверхности в глубину подложки, а дырки, наоборот, будут поступать из глубины подложки к ее поверхности. При некотором значении напряжения между затвором и подложкой концентрация дырок в приповерхностном слое подложки оказывается больше концентрации электронов, т. е. в приповерхностном слое подложки между p+-областями образуется область с электропроводностью p-типа. Это явление называют инверсией электропроводности, а образовавшийся в приповерхностном слое p-слой – каналом. Теперь если между p+-областями включить источник внешнего напряжения Eс, то в образовавшейся электрической цепи потечет ток, создаваемый движением основных носителей заряда (дырок). Область p+, от которой начинается движение основных носителей, называется истоком, а область p+, к которой эти носители движутся – стоком. Сила протекающего тока, называемого током стока Iс, зависит от толщины (ширины) канала, которую можно изменять изменением напряжения на затворе Uзи (исток электрически соединяется с подложкой).
Напряжение Uзи, при котором появляется инверсия электропроводности приповерхностного слоя подложки, называется пороговым и обозначается Uзипор.
При увеличении абсолютного значения отрицательного напряжения Uзи ширина канала увеличивается, что приводит к уменьшению его сопротивления и увеличению тока стока Ic.
Условное обозначение МДП-транзистора с каналом p-типа показано на рис. 5.18б.
Если использовать подложку p-типа со встроенными n+-областями стока и истока, то получится МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа. В таком транзисторе на затвор и на сток необходимо подавать положительные напряжения. Условное обозначение МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показано на рис. 5.18в.
Статические характеристики МДП-транзисторов с индуцированным
Каналом
Эти характеристики отражают зависимость тока стока от напряжений Uзи и Uси. Практическое применение получили статические сток-затворные и стоковые, или выходные, характеристики.
Рисунок 5.19 Сток-затворные характеристики МДП-транзистора
На рис. 5.19а приведены сток-затворные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, а на рис. 5.19б – МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Как видно из этих характеристик напряжение Uси оказывает слабое влияние на ток стока, поэтому часто вместо семейства приводится одна сток-затворная характеристика.
Выходные, или стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показаны на рис. 5.19в. Они похожи на выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ, но в отличие от них при разных значениях Uзи восходящие участки имеют различную крутизну. На стоковых характеристиках можно выделить две области: крутую (1) и пологую (2).
Связь между током стока Ic и напряжениями на электродах МДП-транзистора с индуцированным каналом определяется уравнениями Хофстайна. Для крутой области характеристик
Ic = K[(Uзи-Uзи пор)Ucи-0,5U²cи],
где K – удельная крутизна, измеряемая в А/В² и зависящая от размеров канала и материала диэлектрика.
Для пологой области характеристик
Ic = 0,5 K(Uзи-Uзи пор)².
