Полевые транзисторы с изолированным затвором
В этих транзисторах металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти называют МДП (Металл-Диэлектрик-Полупроводник) или МОП (Металл-Окислитель-Полупроводник).
Основанием служит кремниевая пластина с электропроводностью p-типа. В ней созданы 2 области с электропроводностью n-типа (с повышенной проводимостью). Эти области являются истоком и стоком, от них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы мкМетра, а его ширина – сотни мкм в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя диоксида кремния SiO2 – 0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки.
Прибор с тонким каналом называют транзистором с собственным каналом и он работает следующим образом: если при нулевом напряжении приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток. При подаче ток через кристалл не пойдет, так как один из p-n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а следовательно и кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока, в кристалле канала обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, а ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем больше ток стока. Такой режим называется режимом обеднения.Если на канал или затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока, стока и кристалла будут проходить электроны. Проводимость канала при этом увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.
ВОПРОС 3
Рисунок 6– замещение в узле решетки атома германия атомом мышьяка
Рисунок 7 – энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с электронной электропроводностью
1 – зона проводимости; 2 –примесная зона; 3- запрещенная зона; 4 – валентная зона
На рисунке 6 изображена кристаллическая решетка с внедренным атомом примеси пятивалентного мышьяка. 4 электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с 4-мя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон мышьяка оказывается «лишним». Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увеличивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. Расчеты показывают, что в рассматриваемом примере энергия, необходимая для отрыва лишнего электрона от атома мышьяка, составляет приблизительно 0,05 эВ. Учитывая, что ширина запрещенной зоны германия несколько превышает 1эВ, можно понять, что энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной проводимости кристалла.
Благодаря близости примесных уровней к зоне проводимости, уже при незначительных температурах большая часть электронов примесной зоны переходит в зону проводимости и почти все примесные атомы оказываются ионизированными. Ионы примесных атомов связаны кристаллической решеткой и не могут перемещаться под действием внешнего электрического поля. Таким образом, в самих атомам примеси при этом дырки не образуются (дырка, как и электрон, перемещается под действием внешнего электрического поля, а потому является подвижным носителем заряда). Таким образом, в рассмотренном случае прохождения тока через кристалл обеспечивается электронами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости называется донорной.
Пятивалентная донорная примесь в 4-хвалентном кристалле создает электронную электропроводность
ВОПРОС 4
Рисунок 8 – замещение в узле атома германия атомом индия
Рисунок 9 - энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с дырочной полупроводностью
1 – зона проводимости; 2 – примесная зона; 3 – запрещенная зона; 4 – валентная зона
Благодаря близости примесных уровней к ковалентной зоне все примесные атомы оказываются ионизированными уже при незначительных температурах. В нашем случае атомы примеси, приняв электроны из валентной зоны, становятся отрицательными ионами. Ион связана с кристаллами решеткой и не движется. Таким образом, в 2/3 кристалла обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны – акцепторной.3-хвалентная акцепторная примесь создает в 4-хвалентном кристалле дырочную электропроводность.