Устройство и типы полевых транзисторов

Полевыми (униполярными) транзисторами называются полупроводниковые приборы, работа которых основана на управлении размерами токопроводящей области – канала при приложении поперечного электрического поля. В отличие от биполярных приборов полевые транзисторы работают с использованием только одного типа носителей заряда, а именно основных носителей. Полевой МДП-транзистор является основой современной микроэлектронной планарной технологии и основным элементом цифровых БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных микросхем). В микросхемах наиболее широко распространены МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы со встроенными каналами используются, в основном, как пассивные элементы (нелинейные резисторы). В аналоговых микросхемах, полевые транзисторы применяются, как правило, во входных каскадах, а в остальных каскадах используются биполярные транзисторы и все это удается формировать на одном кристалле.

Схематическое изображение транзистора приведено на рис. 9.

Транзистор состоит из полупроводниковой пластины с омическими контактами на торцах (исток и сток) и p-n-перехода на боковой поверхности, внешний металлический электрод которого называется затвором. Затворы формируются на противоположных гранях бруска и обычно электрически соединены между собой. Токопроводящая область полупроводника между истоком и стоком называется каналом. Области с проводимостью n-типа формируются, например, диффузией и имеют обычно концентрацию атомов примеси значительно большую, чем канал p-типа. В полевых транзисторах с р-n-переходом размер канала между истоком и стоком изменяется за счет приложения электрического поля к р-n-переходу, непосредственно примыкающему к каналу. Если к затвору и стоку относительно истока приложить напряжение в запорном направлении для р-n-перехода (рис. 9), то под действием электрического поля области канала, прилегающие к р-n-переходам, обедняются носителями заряда. В результате толщина канала уменьшается (заштрихованная область на рис. 1), что сопровождается уменьшением тока исток-сток (I_C). Ширина канала сужается к стоку вследствие падения напряжения при протекании тока через канал. При дальнейшем увеличении напряжения U_З области объемного заряда смыкаются и ток через канал прекращается. Напряжение, при котором ток I_C прекращается, называется напряжением отсечки (рис 10, а).

Перекрытие канала может происходить и из-за увеличения U_C. Пусть для простоты U_З = 0. При увеличении тока (рост U_C) происходит и увеличение запирающего напряжения на р-n-переходе, что, естественно, приводит к уменьшению сечения проводящего ток канала (ток уменьшается). Таким образом, возникает обратная отрицательная связь по току, что приводит к насыщению тока и установлению его предельного значения (при заданном U_З). Типичный вид выходной вольт-амперной характеристики (ВАХ) полевого транзистора с управляющим р-n-переходом приведен на рис. 10,б.

В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы, в которых канал отделен от затвора слоем диэлектрика – МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). МДП-транзисторы делятся на два вида, транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Встроенный канал создается в процессе изготовления прибора технологическим путем, а индуцированный формируется в процессе работы под действием управляющего напряжения. По типу проводимости каналов различают МДП-транзисторы с каналами р- и n-типа.

В основе работы МДП-транзистора лежит эффект поля, который заключается в изменении проводимости приповерхностного слоя полупроводника под действием поперечного электрического поля. На рис.11 показана структура, состоящая из слоев полупроводника (п/п), диэлектрика и металла. Если п/п имеет проводимость n-типа, то при подаче на металлический электрод (1) положительного потенциала происходит приток электронов к границе диэлектрик-п/п. При другой полярности образуется поверхностный п/п слой, обедненный электронами. Дальнейшее увеличение отрицательного потенциала приводит к уменьшению концентрации основных носителей n-области – электронов, и при некотором значении потенциала концентрация электронов может стать меньше концентрации дырок. Происходит смена типа проводимости приповерхностного слоя, или, как говорят, появлениеинверсного проводящего слоя. Таким образом возможно управление проводимостью приповерхностного п/п слоя под действием приложенного электрического поля.

Первые МДП-транзисторы были изготовлены на основе кремния, причем диэлектриком был оксид кремния SiO₂, их также называют МОП-транзисторами (метал-оксид-полупроводник).

Планарная технология получения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа заключается в том, что на толстой высокоомной (полуизолирующей) подложке кремния p-типа создается тонкий (0,1- 0,5 мкм) слаболегированный слой n-типа – будущий канал. Затем всю поверхность окисляют, а в слое оксида, с помощью фотолитографии и травления делают "окна" под исток и сток. Через эти окна производится дополнительное легирование (например, методом диффузии) для создания высоколегированных областей n⁺-типа (рис. 4а). Затем на поверхность напыляют тонкую металлическую пленку для формирования выводов: истока, стока и затвора. На рис. 12,а видно, что канал соединяет высоколегированные области n⁺-типа: исток и сток. Т.к. высоколегированные области относительно низкоомны, то снижается бесполезное падение напряжения и потери мощности в этих областях. Третий вывод – затвор, отделен от полупроводника слоем диэлектрика (рис. 12), в нашем случае оксидом кремния.

На рис. 12,б показана структура МДП-транзистора с индуцированным каналом, который возникает только при подаче электрического поля.

На входных (затвор-истоковых) характеристиках МДП-транзисторов (рис. 13,а) видно основное отличие транзисторов со встроенным и индуцированным каналами. Наличие встроенного канала обеспечивает его проводимость как для положительных, так и для отрицательных значений управляющего потенциала на затворе. Только при отрицательном потенциале, равном напряжению отсечки U_ЗИОТС , канал полностью перекрывается и I_С становится равным нулю. На приведенной на рис. 13,а входной ВАХ, видно, что МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме насыщения (прямое напряжение на затворе), так и в режиме обеднения (обратное напряжение) заряда.

Выходные ВАХ МДП-транзисторов (рис. 13,б) аналогичны ВАХ транзисторов с управляющим р-n-переходом, при малых напряжениях U_СИ наблюдается линейный рост стокового тока I_С , а при дальнейшем увеличении U_СИ наблюдается насыщение I_С , из-за сужения ширины канала около стока.

МДП-транзистор с индуцированным каналом от предыдущего отличается тем, что канал в нем возникает (индуцируется) только при подаче на затвор некоторого порогового напряжения. Действительно, если для транзистора с индуцированным каналом n-типа (как показано на рис. 13,б) на затвор подать положительный потенциал, то основные носители подложки дырки уйдут из тонкого приграничного слоя, образуя слой, обедненный основными носителями заряда. При дальнейшем увеличении напряжения на затворе до значения U_ПОР концентрация дырок в канале станет меньше концентрации электронов, т.е. проводимость канала поменяет знак или, как говорят, происходит инверсия проводимости канала. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и ток стока I_С. МДП-транзистор с индуци­рованным каналом может работать только в режиме обогащения (рис. 13,а,б).