МОП-транзисторы со встроенным каналом

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изо­лированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводни­кового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл — диэлектрик — полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл — оксид — полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния Si0₂.

На рис. 5.7 показаны принцип устройства полевого транзистора с изоли­рованным затвором и его изображения на схемах. Подложкой служит кремни­евая пластинка с электропроводностью р-типа. В ней созданы две области с по­вышенной проводимостью п ⁺ - типа. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы.

Рис. 5.7. МОП-транзистор со встроенным ка­налом п-типа (а) и условные графические изображения МОП-транзисторов с каналами п-типа (б) и р-типа (в)

Между истоком и стоком встроен тонкий приповерх­ностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы микрометров, а его ширина — сотни микрометров и более в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя диок­сида кремния (показан штриховкой) 0,1 — 0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Подложка МОП-тран­зистора обычно соединена с истоком, и ее потенциал принимается за нулевой — так же, как и потенциал истока. Прибор с такой структурой называют транзистором со встроенным каналом.

Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не пойдет, так как р-n-переход стока находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного отно­сительно истока, а следовательно, и относительно подложки, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в подложку. Канал обед­няется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока I_C уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. При напряжении U_ИЗ = U_ОТС ток I_C = 0. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из подложки в канал будут приходить электроны, проводимость канала увеличи­вается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

Транзистор со встроенным каналом, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это показывают его выходные (стоковые) характеристики, изображенные на рис. 5.8,а, и проходная характеристика на рис. 5.8,б. Как видно, выходные характеристики МОП-транзистора подобны таким же характеристикам полевого транзистора с управляющим р-п-переходом. Это объясняется тем, что при возрастании напряжения U_СИ от нуля сначала действует закон Ома и ток I_C растет приблизительно пропорционально напряжению, а затем, при некотором напряжении U_СИ, канал начинает сужаться, особенно около стока, так как на p-п-переходе между ка­налом и подложкой возрастает обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. Таким образом, ток стока испытывает два взаимно противоположных влияния: от увели­чения U_СИ ток I_C должен возрастать по закону Ома, но от увеличения сопротив­ления канала ток уменьшается. В результате после перекрытия канала ток I_C остается почти постоянным.

Рис. 5.8. Выходные (а) и проходная (б) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом п-типа

В том случае, если подложка имеет электропроводность n-типа, канал должен быть р-типа и полярность напряжений надо изменить на противоположную. Транзистор со встроенным каналом р-типа на схемах изображают так, как показано на рис. 5.7,в.