МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналами

Лекция 14.

Такие транзисторы сокращенно называют МДП-транзисторами. Они могут быть двух типов: транзисторы с индуцированным каналом и транзисторы со встроенным каналом. В первых из них канал возникает под действием управляющего напряжения, подаваемого между затвором и истоком. В отсутствие такого напряжения эти транзисторы закрыты (поэтому называются нормально закрытыми транзисторами). В случаях, когда такой транзистор используется в качестве нормально закрытого электронного ключа, управление им не потребует каких либо напряжений для постоянного смещения потенциала затвора. Однако, если организовать соответствующее смещение, транзистор будет работать в качестве линейного усилителя сигналов переменного напряжения.

В транзисторах второго типа проводящий канал создается в процессе их изготовления. Поэтому они являются нормально открытыми и могут усиливать переменный сигнал даже без смещения потенциала затвора. Если транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения канала свободными носителями тока необходимого вида, то транзисторы со встроенным каналом способны работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. По сравнению с исходным состоянием сопротивление канала этих транзисторов может быть увеличено или уменьшено с помощью внешнего управляющего сигнала.

В МДП-транзисторах (в отличие от транзисторов с управляющим р-п-переходом) металлический затвор изолирован от канала в объеме полупроводника слоем диэлектрика. Кроме того, у МДП-транзисторов имеется еще и четвертый вывод, называемый подложкой (П).

Принципы действия МДП-транзисторов с индуцированными каналами р-типа и п-типа качественно не отличаются. Здесь, как и в любом МДП-транзисторе, управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор.

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_ЗИэлектроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерх­ностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий слой с инверсным типом проводимости, который выступает в качестве канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать сопротивление канала и, следовательно, ток стока.

Напряжение на затворе, при котором появляется проводящий канал, называют пороговым напряжением U_ЗИ.пор. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения U_ЗИ.пор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концен­трация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет слой, обедненный основными носителями заряда (т.е. р-п-переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки, поскольку р-п-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и, следовательно, ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Сле­довательно, током стока можно управлять не только пу­тем изменения напряжения на затворе, но и за счет из­менения напряжения на подложке. В последнем случае управ­ление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-п-переходом.

Для образова­ния канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U_ЗИ.пор. При этом толщина образующегося инверсного слоя оказывается значительно меньше толщины обедненного слоя; если толщина обедненного слоя колеблется от сотен до тыся­ч нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1¸5 нанометров. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник - диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Рассмотрим семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом. На рис. 13.1 видно, что каждый из графиков, соответствующий определенному значению напряжения U_ЗИ, имеет три участка. На начальном участке ток стока быстро возрастает (крутая или омическая область). Затем идет слабая зависимость тока стока от напряжения U_СИ (пологая область или область насыщения тока стока) и завершает график участок пробоя.

Можно заметить, что выходные ВАХ транзисторов рассматриваемого здесь вида похожи на выходные ВАХ полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом. Как и транзисторы с управляющим р-п-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях U_СИ (в области I; рис. 13.1)ведут себя подобно линеаризованному управля­емому сопротивлению. При увеличении напряжения U_СИ ши­рина канала уменьшается вследствие падения на нем напряже­ния и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока.

Аналитичес­кие аппроксимации вольтамперных характеристик МДП-тран­зисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. Однако, при ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

, (13.1)

где

.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

, (13.2)

где

называется крутизной характеристики на подложке. Она показывает, насколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки U_ПИ ток стока I_C остался неизменным. Если одновременно действуют напряжения на затворе и подложке, то в выражения (13.1) и (13.2) вместо U_ЗИследует подставить

U_ЗИ.эф = U_ЗИ - hU_ПИ. (13.3)

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от ско­рости движения носителей заряда в канале, а также от межэлектродных емкостей между стоком и истоком (С_СИ), между подложкой и истоком (С_ПИ) и между подложкой и стоком (С_ПС). Кроме того, быстродействие транзисторов зависит от значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются и разряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1¸5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

При расчете схем, построенных на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, используют эквивалентные схемы замещения этих транзисторов, в которых за инерционные свойства отвечают электрические емкости. На рис. 13.2 показана одна из таких схем. Необходимо сказать, что значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (например, в такую, что представлена на рис. 13.2)не всегда известны. К тому же часть из них (в частности, С_ПС и С_ПИ) меняется в зависимости от напряжений на электродах. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость транзистора для схемы с общим истоком (С_11И), его выходную (С_22И) и проходную (С_12И) емкости. Эти емкости характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эк­вивалентной схемой рис. 13.3. Эта схема не очень точно отражает особен­ности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены. Обычно значения емкостей схемы с рис. 13.3 бывают следующими: входная емкость С_11И» 1¸5пФ, проход­ная емкость С_12И = 0,22 пФ, выходная емкость С_22И = 2¸6 пФ.

Кроме включения в эквивалентную схему транзистора межэлектродных емкостей, для учета инерционности используют частотную зависимость крутизны стоко-затворной характеристики. Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых тран­зисторов с управляющим р-п-переходом:

, (13.4)

где w_гр » w_З = 1/t_З, и t_З » R_{СИ.откр}×С₃. В типовом слу­чае при длине канала 5 мкм предельная частота, на ко­торой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен ме­гагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и на­пряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на величину заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах I_C = 0,05¸0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными транзисторами является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных тран­зисторах в режиме насыщения напряжение U_КЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков - сотен милливольт, то у МДП-транзисторов при малых токах I_C это падение напряже­ния (поскольку в этом случае транзистор работает в крутой области) мало и определяется током I_С и сопротивлением канала R_{СИ.откр}:

U_СИ = I_С×R_{СИ.откр} при | U_СИ | < | U_СИ.нас|. (13.5)

При уменьшении I_C оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

МДП-транзисторы со встроенным каналом.Здесь, как и выше, мы рассмотрим транзистор с каналом только одного типа (р-типа), поскольку принципы действия транзисторов с каналами р- или п-типа одинаковы.

Такой транзистор изготавливается из пластинки полупроводникового кристалла с невысоким уровнем легирования донорами, имеющего слабо выраженную проводимость п-типа. На одной из поверхностей пластинки методом высокотемпературной диффузии устраивают слой с повышенным содержанием донорной примеси (проводимость п⁺). На поверхность этого слоя напыляют металлический слой (электрод подложки). На противоположной поверхности полупроводниковой пластинки методом локальной диффузии акцепторной примеси изготавливают две отделенные друг от друга области полупроводника с р⁺-типом проводимости (области стока и истока), а затем, также методом диффузии, между ними изготавливают тонкий слой канала, имеющий слабо выраженную проводимость р-типа.

Таким образом, стоковая и истоковая области оказываются связанными гальванически (между ними нет р-п-перехода). Между областями с р-типом проводимости и основным объемом полупроводниковой пластинки (подложкой) образуется р-п-переход. На поверхности стоковой и истоковой областей напыляются металлические электроды, к которым припаиваются выводы стока и истока, соответственно. Поверхность полупроводниковой пластинки в месте нахождения канала покрывают слоем изолятора (диоксида кремния), а на этот слой напыляют металлический электрод (затвор). В зависимости от полярности напряжения между каналом и затвором происходит расширение или сужение встроенного канала и, следовательно, уменьшение или увеличение сопротивления канала.

Подчеркнем, что в транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положитель­ное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки U_ЗИ.отс. При этом дырки из инверсного слоя будут вытеснены, практически полностью, в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увели­чивается. Следовательно, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

При ориентировочных оценках тока стока транзистора со встроенным каналом в области насыщения можно использовать уравнение

, (13.6)

где

.

Графики семейства выходных ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом отличаются от соответствующих графиков МДП-транзисторов с индуцированным каналом лишь тем, что здесь напряжение U _ЗИ может принимать как положительные значения, так и отрицательные. По форме те и другие графики идентичны. Здесь тоже имеются крутая (омическая) область I, область насыщения тока стока II и область пробоя канала транзистора в наиболее суженном месте, III.

Для расчетов усилительных схем на МДП-транзисторах со встроенным каналом рекомендуется схема замещения транзистора, показанная на рис. 6.17. В нее входят элементы: входная емкость транзистора в схеме с общим истоком (С_11И), его выходная емкость (С_22И), проходная емкость (С_12И), выходное дифференциальное сопротивление (R_СИ.диф) и источник тока, определяющий усилительные свойства транзистора.

Обычно величины емкостей схемы замещения транзистора имеют следующие значения: С_11И» 1¸5пФ, С_12И = 0,22 пФ, С_22И = 2¸6 пФ. Величина сопротивления R_СИ.диф находится в пределах от десятков до сотен кОм.

Рассмотрим некоторые параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения. Среди них основными являются:

1. Крутизна характеристики

(при U_СИ = const и U_ПИ = const; S = 0,1¸500 мА/В);

1. Крутизна характеристики по подложке

(при U_СИ = const и U_ЗИ = const; S_П = 0,1¸1 мА/В);

2. Начальный ток стока I_Cнач (ток стока при нулевом напряжении U_ЗИ;у транзисторов с управляющим р-п-переходом I_Cнач = 0,2¸600 мА; для транзисторов с технологически встроенным каналом I_Cнач = 0,1¸100 мА; с индуцированным каналом I_C.нач = 0,01¸0,5 мкА);

3. Напряжение отсечки U_ЗИ.отс (U_ЗИ.отс = 0,2¸10 В);

4. Пороговое напряжение U_ЗИ.пор (U_ЗИ.пор = 1¸6 В);

5. Сопротивление сток – исток в открытом состоянии R_{СИ.откр}

(R_{СИ.откр} = 2¸300 Ом);

6. Максимальный постоянный ток стока I_C.макс (I_C.макс= 10¸700 мА);

7. Остаточный ток стока I_C.ост – ток стока при напряжении U_ЗИ.отс (I_C.ост = 0,001¸10 мА);

8. Максимальная частота усиления f_р – частота, на которой коэффициент усиления по мощности К_уР равен единице (f_р может принимать значения от десятков до сотен МГц).