Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p -типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n -типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния ) толщиной порядка , а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания (называемого подложкой (П)) также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Рис. 4.6. Структура полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n -типа

Если в отсутствии напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, так как один из p-n -переходов будет находится под действием обратного напряжения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и характеристика управления (рис. 4.7, б).

Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения от нуля, сначала действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении канал начинает сужаться, в большей мере возле стока, т. к. на p-n -переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется, и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения при котором наступает электрический пробой.

Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n -типа, токопроводящий канал должен быть p -типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом

Устройство такого транзистора показано на рис 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-n -переходов будет обязательно заперт.

Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n -типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника имеет электроприводность n -типа, то области истока и стока должны быть p -типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 4.11.

Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

В последнее время МДП-транзисторы всё чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Выводы:

1. Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.
2. В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.
3. Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.
4. Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.
5. Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора

МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполнят одинаковые функции: работают в схеме, или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обещающее сравнение транзисторов этих двух типов.

Таблица 4.1

Свойства биполярных и МДП-транзисторов

В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.

Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150°C (для биполярных транзисторов 200°C).

К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии его изготовления. Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний "паразитный" биполярный n-p-n -транзистор (рис. 4.12), образованный -истоком (эмиттер), p-областью инверсного канала (база) и эпитаксиальным слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-транзистора.

Рис. 4.12. Паразитные элементы структуры
мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема базовой ячейки (б)

Для сохранения положительных свойств МДП-транзистора и исключения начала работы биполярного транзистора часть p-области всегда подключают к металлизированному контакту истока (это эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора). Биполярный транзистор оказывается запертым и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора. Однако быстрый спад или, наоборот, рост напряжения "сток - исток" полевого транзистора, что является обычным в динамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы.

Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент - обратновключенный диод. Поэтому МДП-транзистор проектируют таким образом, что бы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.