Полевые транзисторы с изолированным затвором обедненного типа
Полевые транзисторы с изолированным затвором не используют р-n-переход. Вместо него применяется металлический затвор, который электрически изолирован от полупроводникового канала тонким слоем окисла. Это устройство известно как полевой транзистор на основе структуры металл-окисел-полупроводник (МОП транзистор).
Существуют два типа таких транзисторов: устройства n-типа с n-каналами и устройства p-типа с p-каналами. Устройства n-типа с га-каналами называются устройствами обедненного типа, так как они проводят ток при нулевом напряжении на затворе. В устройствах обедненного типа электроны являются носителями тока до тех пор, пока их количество не уменьшится благодаря приложенному к затвору смещению, так как при подаче на затвор отрицательного смещения ток стока уменьшается. Устройства р-типа с p-каналами называются устройствами обогащенного типа. В устройствах обогащенного типа поток электронов обычно отсутствует до тех пор, пока на затвор не подано напряжение смещения. Хотя полевые транзисторы обедненного типа с р-каналом и транзисторы обогащенного типа с n-каналом и существуют, они обычно не используются.
рис. 11.26
На рис. 11.26 изображено сечение полевого транзистора обедненного типа с n-каналом. Он образован имплантацией n-канала в подложку р-типа. После этого на канал наносится тонкий изолирующий слой двуокиси кремния, оставляющий края канала свободными для подсоединения выводов - стока и истока. После этого на изолирующий слой наносится тонкий металлический слой. Этот металлический слой служит затвором. Дополнительный вывод подсоединяется к подложке. Металлический затвор изолирован от полупроводникового канала, так что затвор и канал не образуют p-n-переход. Металлический затвор используется для управления проводимостью канала так же, как и в полевом транзисторе с p-n-переходом.
Схематические обозначения МОП транзисторов обедненного типа с n-каналом и с р-каналом показаны на рис. 11.27. Заметим, что вывод затвора отделен от выводов стока и истока. Стрелка, направленная к подложке, указывает, что этот транзистор имеет канал n-типа. У транзисторов с каналом p-типа стрелка направлена от подложки. В некоторых МОП транзисторах подложка соединена внутри транзистора с истоком, и они не имеют отдельного вывода подложки.
Рис. 11.27
На рис. 11.28 изображен полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа, к которому приложены напряжения смещения.
рис. 11.28
Напряжение сток-исток (Еси) должно всегда прикладываться таким образом, чтобы сток имел положительный потенциал по отношению к истоку, как и в полевом транзисторе с p-n-переходом. В канале n-типа основными носителями являются электроны, которые обеспечивают ток стока (Iс), протекающий от истока к стоку. Величиной тока стока управляет напряжение смещения (Ези), приложенное между затвором и истоком, как и в полевом транзисторе с p-n-переходом. Когда напряжение на затворе равно нулю, через устройство течет заметный ток стока, так как в канале имеется большое количество основных носителей (электронов). Когда на затворе появляется отрицательный потенциал по отношению к истоку, ток стока уменьшается вследствие обеднения основных носителей. Если отрицательный потенциал достаточно велик, то ток стока падает до нуля. Основное различие между полевыми транзисторами с р-п-переходом и полевыми транзисторами с изолированным затвором состоит в том, что на затворе полевого транзистора с изолированным затвором может также быть и положительный потенциал по отношению к истоку. В полевом транзисторе с p-n-переходом этого сделать нельзя, так как в этом случае p-n-переход затвор-канал будет смещен в прямом направлении.
Когда напряжение на затворе полевого МОП транзистора обедненного типа положительно, изолирующий слой из двуокиси кремния предотвращает какой-либо ток через затвор. Входное сопротивление остается высоким и в канале появляется больше носителей (электронов), что увеличивает его проводимость. Положительное напряжение на затворе может быть использовано для увеличения тока стока МОП транзистора, а отрицательное напряжение на затворе может быть использовано для уменьшения тока стока. Поскольку отрицательное напряжение подается на затвор для обеднения n-канала МОП транзистора, он называется устройством обедненного типа.
МОП транзисторы с p-каналом работают точно так же, как и транзисторы с n-каналом. Разница только в том, что основными носителями являются дырки. Вывод стока имеет отрицательный потенциал по отношению к истоку, и ток стока течет в противоположном направлении. Потенциал затвора может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к истоку.
МОП транзисторы обедненного типа как с n-каналом, так и с p-каналом являются симметричными. Выводы стока и истока можно поменять местами. В специальных случаях затвор может быть смещен от области стока для того, чтобы уменьшить емкость между затвором и стоком. В случае, когда затвор смещен, выводы стока и истока нельзя поменять местами.