Устройство и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором

Классификация полевых транзисторов

Лекция 12. Полевые транзисторы. Классификация, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, ток в котором создаётся основными носителями зарядов (только электронами или только дырками). Заряды перемещаются в области, которая называется канал. Электрод, через который ток втекает в транзистор, называется исток (И). Прошедшие через канал заряды выходят из него через электрод, который называется сток (С). Движением зарядов управляет электрод, который называется затвор (З).

Классификация. В зависимости от типа проводимости канала различают полевые транзисторы с каналом типа p и типа n, а в зависимости от способа выполнения затвора – с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. Условное графическое обозначение полевых транзисторов представлено на рис. 12.1. Стрелка показывает направление от слоя p к слою n.

Тип затвора	Канал n -типа	Канал p -типа
С управляющим p-n переходом
С изолированным затвором и встроенным каналом
С изолированным затвором и индуцированным каналом

Рис. 12.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов

В 1926 году был открыт полевой эффект и указан его недостаток - поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Однако в 1952 году Уильям Шокли исследовал влияние управляющего p-n перехода на ток в канале, а в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором по технологии МОП металлический (Al) затвор, изолятор оксид кремния (SiO₂) и канал-полупроводник (Si).

Система обозначений транзисторов была рассмотрена в лекции 6, и для полевых транзисторов, как и для биполярных, установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919 – 81 и его последующими редакциями.

12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Рассмотрим физические процессы, происходящие в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n -типа, схематичное изображение которого представлено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n -типа

Такая конструкция, в которой электроды расположены в одной плоскости, называется планарной. В исходном полупроводниковом материале методом диффузии создаётся легированная область n – канал. Затем на поверхности образуют сток, исток и затвор таким образом, что канал получается под затвором. Нижняя область исходного полупроводника – подложка – обычно соединяется с затвором. Исток подключают к общей точке источников питания, и напряжения на стоке и затворе измеряют относительно истока.

Изменение проводимости канала осуществляется изменением напряжения, прикладываемого к p-n переходам затвора и подложки. На рис. 12.3. представлены графики статических характеристик. Поскольку ток затвора не зависит от напряжения U _ЗИ, входная характеристика отсутствует. Вместо неё применяется сток - затворная характеристика передачи . Выходная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе .

Рис. 12.3. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

При U _ЗИ = 0 толщина p-n – переходов затвора и подложки минимальна, канал «широкий» и проводимость его наибольшая. Под действием напряжения U _СИ по каналу будет проходить ток, создаваемый основными носителями зарядов – электронами. На участке напряжений от 0 до U _СИ.НАС ток будет нарастать и достигнет величины I _С.нач – начального тока стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке повышает напряжённость поля в запорном слое p-n переходов затвора и подложки, но не увеличивает ток стока. Когда напряжение на стоке достигнет U _{СИ.макс}, может наступить электрический пробой по цепи сток – затвор, что показывает вертикальная линия роста тока на выходной характеристике.

Если отрицательное напряжение на затворе увеличивать, то, в соответствии с эффектом Эрли, толщина p-n – переходов затвора и подложки начнёт увеличиваться за счёт канала, сечение канала будет уменьшаться. Ток стока будет ограничен на меньшем уровне. Если и дальше увеличивать отрицательное напряжение на затворе, то, при некоторой его величине, называемой напряжением отсечки U _ЗИотс, p-n переходы затвора и подложки сомкнутся и перекроют канал. Движение электронов в канале прекратится, ток стока будет равен нулю, и не будет зависеть от напряжения на стоке.

Следовательно, полевой транзистор с управляющим p-n –переходом до напряжения на стоке U _СИ.НАС работает как регулируемое сопротивление, а на горизонтальных участках выходных характеристик может использоваться для усиления сигналов в режиме нагрузки.

Отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и полупроводником-каналом находится слой диэлектрика, в качестве которого используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния методом высокотемпературного окисления. Существуют два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа, упрощённая конструкция которого представлена на рис. 12.4.

Основой транзистора является подложка – пластина Si с проводимостью р типа и с высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильно легированные области с проводимостью n типа, не соединённые между собой. К ним подключают металлические контакты, которые будут выводами стока и истока. Поверхность пластины покрывают слоем SiO₂, на который между стоком и истоком наносят слой металла – затвор. Подложку обычно электрически соединяют с истоком.

При U _ЗИ = 0, даже если между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор закрыт, и в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между стоком и подложкой (рис. 12.4, а).

а)	б)

Рис. 12.4. Конструкция и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом:

а – при U _ЗИ = 0; б – при U _ЗИ > порогового значения

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. При малых напряжениях U _ЗИ под затвором возникает обеднённый основными носителями зарядов слой и область объёмного заряда, состоящего из ионизированных атомов примеси.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе в поверхностном слое полупроводника происходит инверсия электропроводности (рис. 12.4, б). Образуется тонкий инверсный слой – канал – соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

Изменение напряжения на затворе вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, и ток стока.

На рис. 12.5 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа.

Рис. 12.5. Графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями зарядов при увеличении напряжения на затворе, называется режимом обогащения.

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжений U _ЗИ и U _СИ у транзисторов с индуцированным каналом позволяет использовать их в экономичных цифровых микросхемах.

Рассмотрим теперь принцип действия полевого транзистора с встроенным каналом n -типа, упрощённая конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 12.4, б.

На стадии изготовления такого транзистора между областями стока и истока методом диффузии создаётся тонкий слаболегированный слой – канал – с таким же типом проводимости, как у стока и истока.

При U _ЗИ = 0, когда между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор открыт, и в цепи стока протекает ток. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока, будет выталкивать электроны из канала и втягивать в канал дырки из подложки. Канал обедняется основными носителями зарядов, его толщина и электропроводность уменьшаются. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, канал закрывается, ток стока становится равным нулю.

Увеличение положительного напряжения на затворе вызывает приток электронов из подложки в канал. Канал обогащается носителями, ток стока возрастает.

Таким образом, транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

На рис. 12.6 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n -типа.

Рис. 12.6. Графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n -типа