Полевые транзисторы с изолированным затвором

Лекция 3

Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, управляемым электрическим полем и протекающим через проводящий канал.

Данное определение полевого транзистора объясняет существование трех различных терминов, определяющих этот тип приборов. По принципу управления электрическим током (электрическим полем) такие приборы называют полевыми. Их также называют униполярными (в отличие от биполярных), поскольку перенос тока в них обеспечивают носители заряда одного типа. Наконец, можно встретить термин «канальные приборы», поскольку параметры такого прибора определяются свойствами канала, в котором могут перемещаться носители заряда.

Управление током полевого транзистора выполняется с помощью электрического поля, созданного управляющим сигналом. В полупроводнике имеется область, в которой перемещаются носители заряда, и проводимостью которой управляет внешнее электрическое поле. Эта область называется каналом и может быть полупроводником p – или n – типа. Электрод, через который в канал поступают носители заряда, называется истоком (обозначается И). Электрод, через который выходят из полупроводника носители заряда, называется стоком (С). Электрод, на который подается управляющий сигнал, называется затвором (З).

Полевые транзисторы различаются физической структурой и способом управления проводимостью канала. Они подразделяются на транзисторы с управляющим - переходом, транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором имеют структуру «метал – диэлектрик – полупроводник» (МДП). В качестве диэлектрика используется оксид кремния, такие транзисторы имеют структуру МОП.

3.1 Полевые транзисторы с управляющим - переходом

, Структура полевого транзистора с управляющим - переходом, показанная на рисунке 3.1, состоит из канала (в данном случае, - типа), окруженного сильно легированным полупроводником - типа, который является затвором.

Рисунок 3.1 - Структура полевого транзистора с управляющим - переходом

От канала сделаны два вывода: исток и сток. Электронно-дырочный переход между затвором и каналом несимметричный и поэтому расположен, в основном, в зоне канала. Принцип действия транзистора заключается в управлении проводимостью канала, за счет изменения его проводящего сечения. Полярность напряжения, подводимого к затвору , выбирается так, чтобы - переход между каналом и затвором был смещен в обратном направлении. Это приводит к увеличению ширины - перехода, в основном, за счет высокоомного слоя, таким образом, проводящее сечение канала уменьшится.

Свойства полевого транзистора отображаются семействами выходной и управляющей характеристик, которые имеют следующий вид, показанный на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Выходная (а) и управляющая (b) характеристики полевого транзистора с управляющим - переходом

Рассмотрим выходную характеристику , при . Начальный участок носит линейный характер, по мере роста канал постепенно сужается и приобретает коническую форму за счет падения напряжения на канале, что ведет к замедлению роста тока. При некотором значении напряжения ток достигает тока насыщения, и дальнейшее увеличение тока не происходит, т.к. одновременно с ростом напряжения происходит увеличение сопротивления канала. Если к затвору относительно истока приложить отрицательное напряжение (с учетом знака), то эффект насыщения наступит при меньшем значении напряжения . На характеристиках выделяют область I, где характеристика имеет крутой спад. В этой области транзистор ведет себя как регулируемый резистор. Правее, в области II, ток стока мало зависит от напряжения , транзистор является регулируемым источником тока.

Рассмотрим управляющую характеристику при . Обычно, эта характеристика соответствует режиму насыщения, в котором ток мало зависит от напряжения . Физически изменение тока при изменении напряжения обусловлено изменением сечения канала, чем больше отрицательное напряжение, тем тоньше канал, меньше его проводимость и, соответственно, ток. При некотором напряжении ток , следовательно, весь канал будет занят непроводящим слоем, - переходом.

Управляющая и выходные характеристики взаимосвязаны. Располагая семейством выходных характеристик, легко построить управляющую характеристику путем переноса соответствующих точек из одной системы координат в другую, как это показано на рисунке 3.2.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют затвор, выполненный в виде металлической пленки, изолированной от канала тонким слоем диэлектрика, в качестве которого используется двуоксид кремния. Такие транзисторы имеют структуру металл - оксид - полупроводник (МОП). Существуют две разновидности МОП – транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом

В МОП – транзисторах со встроенным каналом (у поверхности полупроводника под затвором) существует слой, который соединяет области истока и стока.

В МОП - транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком и стоком появляется только при определенных полярности и величине напряжения на затворе.

3.2.1 МОП – транзисторы со встроенным каналом

Устройство транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - МОП – транзистор со встроенным каналом

На подложке - типа создается сильно легированная область - типа, соединяющая выводы: сток (С) и исток (И). Канал изолирован от металлического затвора тонким слоем диэлектрика. Подложка обычно внутри электронного прибора соединяется с истоком. При подаче на затвор отрицательного напряжения создается поперечное электрическое поле, вытесняющее основные носители заряда - электроны в подложку, в результате чего проводимость канала уменьшается. Такой режим работы называется режимом обеднения. При подаче на затвор положительного напряжения электроны втягиваются в канал, их концентрация в канале увеличивается и, как следствие, проводимость канала увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения.

Статические характеристики: семейство выходных и характеристика управления показаны на рисунке 3.4.

Семейство выходных характеристик при различных напряжениях внешне похоже на выходные статические характеристики транзистора с управляющим - переходом. Основное отличие состоит в том, что на затвор можно подавать как положительное, так и отрицательное напряжение.

Рисунок 3.4 - . Статические характеристики МОП – транзистора

со встроенным каналом

(а - семейство выходных характеристик, b – характеристика управления)