Исследование полевых транзисторов

Полевые транзисторы   представляют собой полупроводниковые приборы, в которых изменение силы тока, протекающего вдоль тонкой проводящей области (канала) полупроводникового кристалла, осуществляется за счёт изменения электрического сопротивления этой области в результате действия на неё поперечно направленного электрического поля, создаваемого с помощью управляющего (затворного) электрода (ЭЗ).

Полевые транзисторы могут иметь каналы с дырочной проводимостью (каналы p -типа) и каналы с электронной проводимостью (каналы n -типа). Ток в канале создаётся в результате перемещения основных свободных носителей электрического заряда. Поэтому они также называются униполярными транзисторами.

Внешние выводы транзистора, через которые проходит управляемый ток канала, называются истоком (И) и стоком (С). Движение основных носителей электрического заряда вдоль канала происходит от истока к стоку. Внешний вывод транзистора, соединённый с управляющим электродом, называется затвором (З).

Кроме того, полевые транзисторы могут иметь внешний вывод подложку (П), соединенный с несущей частью полупроводникового кристалла.

По принципу действия полевые транзисторы бывают следующих видов:

- с управляющим p–n -переходом (рис.1,а);

- с управляющим переходом Шотки;

- с изолированным затвором.

В полевых транзисторах с изолированным затвором канал может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении транзистора) или индуцированным (т.е. наводящимся под воздействием управляющего напряжения). Поэтому различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рис.1, б,в).

   а                                    б                          в

Рис. 1

Характерным для всех полевых транзисторов является очень малый ток в цепи затвора в статическом режиме работы, т.к. ЭЗ либо изолирован от канала слоем диэлектрика, либо между ним и каналом имеется p – n -переход (или переход Шотки), на который в рабочем режиме работы транзистора подаётся напряжение обратной полярности. Поэтому полевой транзистор при низких частотах входного сигнала обладает большим значением входного сопротивления ( Ом). В этом заключается существенное отличие полевых транзисторов от биполярных, во входной цепи которых в активном режиме работы протекает значительный ток (особенно при включении биполярного транзистора по схеме с общей базой). Отсюда следует, что полевой транзистор – это электронный прибор, управляемый напряжением (электрическим полем).

В микроэлектронике наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы с управляющим переходом Шотки на основе арсенида галлия используется для создания быстродействующих цифровых интегральных микросхем и в электронных устройствах СВЧ. Транзисторы с управляющим p – n -переходом на основе кремния являются относительно низкочастотными приборами.

Полевые транзисторы с управляющим p – n -переходом. Кристалл полупроводника в простейшем варианте конструкции транзистора (рис.2) состоит из p ⁺ - и n- областей. К внешней поверхности р ⁺ - области прилегает электрод затвора (ЭЗ), канал образован n -областью кристалла. Внешние выводы И и С электрически связаны с каналом через электроды ЭИ и ЭС.

Рис. 2

Между р ⁺ - и n -областями существует p – n- переход. Линия, изображающая границу p–n- перехода со стороны р ⁺ -области, обозначена буквой α, а линия, изображающая границу p–n- перехода со стороны n- канала, буквой β (индексы 0,1,2,3 при букве β соответствуют различным режимам работы транзистора).

В рабочем режиме на p–n -переход подаётся управляющее напряжение U _зи обратной полярности (U _зи < 0). При возрастании абсолютного значения этого напряжения увеличение толщины p–n- перехода происходит за счёт его расширения в основном в сторону менее легированной n -области (канала). При этом сопротивление канала возрастает из-за уменьшения площади поперечного сечения его рабочей области, т.к. через область объёма канала, занятой p–n -переходом, ток практически не протекает. Это обусловлено тем, что p–n -переход обладает высоким значением электрического удельного сопротивления, а вероятность проникновения электронов рабочей области канала в область p–n -перехода близка к нулю из-за возрастания потенциального барьера p–n -перехода под действием приложенного к нему напряжения обратной полярности (U _зи).

При одновременном действии напряжений U _зи   и U _си обратное напряжение на p–n -переходе создаётся их совместным действием. Около ЭИ численное значение обратного напряжения на p–n -переходе равно значению | U _зи |. Т.к. потенциал ЭС выше потенциала ЭИ на значение U _си > 0, то численное значение обратного напряжения на p–n -переходе постепенно возрастает в направлении от ЭИ до ЭС начиная с уровня |U _зи | до уровня |U _зи | + | U _си |. Поэтому при U _си = 0 сужение толщины канала по всей ее длине происходит одинаково и нижняя граница p–n -перехода представляет собой горизонтальную плоскость, обозначенную на рис.2 в виде линии β₀. При U _си > 0 линия, изображающая нижнюю границу p–n -перехода искривляется так, что толщина канала около ЭИ оказывается большей, чем около ЭС. При этом для значений U _си, равных , ,  (  <  < < ), нижняя граница p–n -перехода принимает положения, обозначенные на рис.2 соответственно линиями β₁, β₂, β₃.

Из сказанного следует, что ток стока I _c в статическом режиме является функцией двух переменных (U _зи и U _си). Поэтому основными статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ) являются:

- семейство выходных (стоковых) характеристик, состоящее из множества функций Ic(Uси) с параметром Uзи (рис.3);

- семейство передаточных (стокозатворных) характеристик, состоящее из множества функций переменной Ic(Uзи) с параметром Uси (рис. 4).

                      Рис. 3                                                   Рис.4

При малых значениях напряжения U _си зависимости I _с(U _си) близки к линейной функции. По мере увеличения напряжения U _си крутизна этих графиков постепенно уменьшается и при превышении некоторого уровня  (напряжение насыщения), зависящего от значения U _зи, кривые графиков становятся почти горизонтальными линиями.

Уменьшение крутизны графиков по мере увеличения U _си обусловлено уменьшением толщины канала вблизи ЭС под действием напряжения U _си. При достижении этим напряжением некоторого значения  толщина канала около ЭС уменьшается до нуля (происходит перекрытие правого конца канала). Нижняя граница области p–n- перехода в этом режиме работы транзистора на рис.2 обозначена линией β₂. При U _си >  нижняя граница области p–n- перехода изменяется так, что протяжённость области перекрытия канала достигает некоторого значения ∆L. Такому режиму соответствует нижняя граница p–n- перехода, обозначенная линией β₃. Дальнейшее увеличение U _си приводит к возрастанию ∆L, и некоторому уменьшению длины неперекрытой части канала L _к. Это явление называют эффектом модуляции длины канала. При этом к области перекрытия канала длинной ∆L приложено напряжение               ∆U = U _си – , обеспечивающее прохождение тока I _c через эту область. Поэтому в режиме, когда U _си > , увеличение U _си приводит к незначительному нарастанию тока I _c.

Напряжение насыщения  определяется в соответствии с равенством:

| | = | | – | |,

где  напряжение отсечки (значение напряжения U _зи < 0, при котором происходит перекрытие канала по всей её длине), когда ток I _c становится близким к нулю.

Ток стока при напряжении U _зи = 0 и напряжении U _си | | называется начальным током стока транзистора ().

При достаточно больших значениях напряжения U _си возникает пробой области p–n- перехода вблизи стока, что сопровождается резким возрастанием тока I _c. Чем больше U _зи, тем меньше напряжение U _си, при котором начинается пробой, т.к. обратное напряжение на p–n- переходе вблизи правого (стокового) конца канала равно сумме | U _си | + | U _зи |.

В режиме насыщения тока I _c, когда U _си >  передаточная характеристика достаточно хорошо аппроксимируется выражением

;

где α – параметр аппроксимации; α = 1,5...2,5.

В варианте планарной структуры кристалла полевых транзисторов с управляющим p–n- переходом (рис.5) между концами канала n -типа и электродами ЭИ и ЭС созданы n ⁺ -области с высокой концентрацией донорной примеси. Это позволяет уменьшить сопротивления между электродами ЭИ и ЭС и n -каналом. Электроды ЭИ, ЭЗ, ЭС расположены на одной грани кристалла полупроводника. Поверхность этой грани покрыта защитной оксидной пленкой (SiO₂).

Рис. 5

При создании этой структуры в кристалле кремния p -типа (подложке) сначала путём диффузии через верхнюю грань кристалла вводится донорная примесь (при этом образуется n -область), а затем в эту область через окна (незащищённые слоем SiO₂ участки поверхности кристалла) вводятся атомы примесей для образования p ⁺- и n ⁺ - областей кристалла. Канал n -типа создан между верхним и нижним p–n- переходами кристалла.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. В этих транзисторах ЭЗ изолирован от полупроводникового кристалла тонким слоем диэлектрика, т.е. они имеют структуру типа «металл – диэлектрик – полупроводник». Поэтому они называются также транзисторами МДП-типа. В случае, когда в качестве диэлектрика используется оксид кремния (SiO₂), их называют МОП-транзисторами (структура «металл – оксид – полупроводник»).

Принцип действия МДП-транзистора основан на использовании физического явления, называемого эффектом поля. Это явление заключается в том, что под действием напряжения, приложенного между ЭЗ и подложкой, происходит изменение электропроводимости прилегающего к диэлектрику тонкого слоя полупроводника (канала).

МОП-структура (рис.6) представляет собой своеобразный конденсатор с металлическим и полупроводниковым электродами (обкладками). Если к ним приложить напряжение, то на них накапливаются электрические заряды.

Рис. 6

В металлах число свободных электронов велико (сравнимо с числом атомов), поэтому заряд металлической обкладки «конденсатора» сосредоточивается в его тончайшем поверхностном слое со стороны диэлектрика. Заряд полупроводниковой обкладки конденсатора из-за относительно малой концентрации свободных носителей заряда в ней распределяется в поверхностном слое значительно большей толщины, чем в металлической обкладке.

Если в случае полупроводника p -типа между металлическим электродом и полупроводниковой подложкой приложить положительное напряжение (U _мп > 0), то под действием создаваемого им электрического поля дырки будут оттесняться от прилегающей к диэлектрику поверхности подложки, а свободные электроны будут притягиваться к этой поверхности. В результате в поверхностном слое полупроводника некоторой толщины l _ос  нарушается ее электрическая нейтральность и этот слой приобретает отрицательный заряд, обусловленный распределенными по объему подложки в пределах данного слоя неподвижными отрицательными ионами акцепторной примеси полупроводника и более тонким приповерхностным слоем притянутых к поверхности полупроводника электронов. Этот суммарный отрицательный заряд поверхностного слоя представляет собой заряд полупроводниковой обкладки конденсатора типа МДП-структуры. При малых значениях U _мп этот поверхностный слой полупроводника находится в режиме обеднения свободными носителями электрического заряда по сравнению с равновесным состоянием кристалла. 

Электрическое поле в диэлектрике является однородным, (Е _д = const), т.к. в диэлектрике практически нет свободных носителей электрических зарядов. Напряженность электрического поля в полупроводнике (Е _п) убывает начиная от наибольшего значения на верхней поверхности кристалла полупроводника до уровня, близкого к нулю, в пределах толщины l _ос  поверхностного слоя неравновесного распределения индуцированного электрического заряда.

По мере увеличения значения этого напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, а концентрация дырок в нем уменьшается.

При превышении значения U _мп некоторого порогового значения концентрация дырок в тонком приповерхностном слое полупроводника со стороны диэлектрика становится меньше концентрации электронов, притягивающихся сюда электрическим полем из глубины подложки. Тогда в тонком приповерхностном слое верхней грани подложки происходит режим инверсии типа электропроводности полупроводника (на поверхности индуцируется канал n -типа). Этот инверсный слой имеет толщину l _ис в несколько нанометров. При этом l _ис << l _ос.

МОП-транзистор с индуцированным каналом. Вустройстве МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа (рис.7) структура кристалла транзистора состоит из подложки p -типа, в которой сформированы две низкоомные области n ⁺ -типа.

На поверхности диэлектрической оксидной пленки (SiO₂) расположен ЭЗ. Внешний вывод транзистора подложка (П) обычно электрически соединяется с выводом И либо внутри корпуса прибора при его изготовлении, либо при внешнем монтаже схемы электронного устройства, создаваемого с использованием данного транзистора.

Рис. 7

В равновесном состоянии кристалла полупроводника (когда U _си = 0, U _зи = 0) вдоль поверхностей границ раздела p- области с левой и правой n ⁺ - областями возникают слои р–п- переходов. При этом p- область в верхнем приповерхностном слое кристалла разделена от левой и правой n ⁺ -областей этими слоями p–n -переходов.

Если при U _зи = 0 подать напряжение U _си > 0, то на стоковой p–n -переход (находящийся между правой n ⁺ -областью и p- областью кристалла) будет подано обратное напряжение, а на истоковый p–n -переход (находящийся между левой n ⁺ - областью и p- областью кристалла) будет подано прямое напряжение. В этом режиме работы ток I _c равен обратному току стокового p–n -перехода, и его численное значение близко к нулю.

При небольших значениях напряжения U _зи > 0 в верхнем приповерхностном слое кристалла между n ⁺- областями возникает режим обеднения свободными носителями электрического заряда. Нижняя граница этой обедненной области и нижние границы истокового и стокового р–п -переходов (являющихся также обедненными свободными носителями электрического заряда областями) на рис.7 показана штриховой линией β. Этот приповерхностный обедненный слой, так же как и р–п -переход, содержит распределенный в объеме заряд отрицательной полярности, обусловленный зарядами ионов атомов акцепторной примеси. Толщина обедненной области стокового р–п -перехода больше толщины истокового перехода, поскольку под действием U _си > 0 на стоковом р–п -переходе создается напряжение прямой, а на истоковом – обратной полярности.

При увеличении напряжения U _зи до некоторого порогового значения () в тонком приповерхностном слое кристалла под диэлектрической пленкой между n ⁺ - областями возникает режим инверсии типа проводимости полупроводника, т.е. (между -областями кристалла индуцируется токопроводящий канал п -типа.

По мере дальнейшего увеличения напряжения U _зи толщина канала практически не меняется, но происходит увеличение в нем концентрации свободных электронов за счет экстракции все большего их числа из глубины подложки и из n ⁺ - областей. При этом сопротивление канала уменьшается, а ток I _с увеличивается (рис.8, a).

                 а                                        б

Рис. 8

Уменьшение крутизны графиков семейства статических выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом п -типа (рис.8, б) по мере увеличения U _си происходит вследствие уменьшения концентрации электронов на правом конце канала под действием электрического потенциала электрода ЭС. При превышении напряжения U _синекоторого значения (напряжения насыщения) в конце канала образуется обеднённая свободными носителями электрического заряда область, сопротивление которой по мере дальнейшего увеличения U _си возрастает так, что ток I _снарастает незначительно.

МДП-транзистор со встроенным каналом. Структура кристалла МДП-транзистора со встроенным каналом п -типа (рис.9) в тонком приповерхностном слое подложки р -типа под слоем диэлектрика, который может быть создан при изготовлении транзистора в результате локальной диффузии или ионной имплантации донорной примеси в приповерхностный слой подложки р -типа:

Рис. 9

Встроенный канал может также самопроизвольно образовываться благодаря содержанию в диэлектрической плёнке оксида кремния является то, что она всегда содержит примеси донорного типа (натрий, калий, водород). Поэтому в этой пленке на границе с кремниевой подложкой р -типа образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов, а отданные ими электроны, переходя в приповерхностный слой кремния, рекомбинируют с дырками. Тогда в поверхностном слое подложки р -типа образуется объемный отрицательный заряд ионов. При этом наряду с обедненным слоем может возникнуть и тонкий приповерхностный инверсионный п -слой (встроенный канал п -типа).

Встроенный канал может возникнуть также в результате изменения характера распределения атомов примесей вблизи поверхности подложки в процессе термического окисления ее поверхности с образованием диэлектрического оксидного слоя SiO₂.

Графики семейства проходных вольт-амперных характеристик рассматриваемого транзистора показаны на рис.10, а. Транзистор может проводить ток как при U _зи > 0, так и при U _зи < 0. В случае U _зи > 0 электроны подтягиваются из глубины подложки в область канала, что приводит к режиму обогащения канала свободными носителями электрического заряда и возрастанию тока I _с по мере увеличения U _зи.

В случае U _зи < 0 (режим обеднения канала свободными носителями электрического заряда) электроны из канала оттесняются в глубь подложки и в канале уменьшается концентрация свободных носителей электрического заряда. В этом случае по мере увеличения | U _зи | ток I _с уменьшается.

Рис. 10

Графики семейства выходных ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора показаны на (рис.10, б). Замедление роста тока стока I _c с увеличением напряжения U _си, связано с нарастанием продольного падения напряжения в канале. Потенциал точек канала возрастает по мере удаления от ЭИ в сторону ЭС, а разность потенциалов между ЭЗ и подложкой уменьшается от значения U _зи около ЭИ до значения (U _зи – U _си) около ЭС. Соответственно уменьшаются напряженность электрического поля в диэлектрике SiO₂ и на верхней поверхности подложки, а следовательно, снижается концентрация электронов в канале. Это приводит к возрастанию продольного сопротивления канала. При увеличении напряжения U _си до некоторого , как и в случае МДП-транзистора с индуцированным каналом, на правом конце канала возникает режим обеднения. Поэтому при дальнейшем увеличении U _си ток I _c практически не возрастает.

Полевой транзистор с переходом Шотки. Этот вид полевых транзисторов появился в связи с использованием в интегральной схемотехнике арсенида галлия, который позволяет существенно увеличить быстродействие элементов вычислительной и информационной техники. Высокое быстродействие арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов объясняется значительно большей подвижностью электронов в этом полупроводнике, чем в кремнии.

Кроме того, арсенид галлия имеет более широкую запрещенную зону, поэтому p–n- переход в этом материале имеет лучшие изолирующие свойства, чем в кремнии.

По принципу действия этот транзистор подобен полевому транзистору с управляющим p–n -переходом, где роль p–n -перехода играет переход металл-полупроводник (переход Шотки). Такой транзистор иногда называют полевым транзисторомс переходом Шотки (рис. 11).

Условное графическое обозначение транзистора такое же, как у транзистора с управляющим p–n -переходом (см. рис.1).

При условии, если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (ЭЗ) электроны поверхностного слоя полупроводника переходят на ЭЗ. В полупроводнике под ЭЗ возникает слой, обеднённый свободными носителями электрического заряда и содержащий объемный заряд неподвижных положительных ионов атомов донорной примеси. Эта область называется переходом металл-полупроводник (переход Шотки). Толщину этого слоя и соответственно толщину канала n -типа можно изменять меняя напряжение U _зи. Графики семейства проходных и выходных статических ВАХ транзистора с переходом Шотки аналогичны графикам ВАХ полевых транзисторов с управляющим p–n -переходом.

Дифференциальные параметры и электрические модели полевого транзистора. Если режим работы транзистора характеризуется одновременным действием постоянной (, ) и переменной (u _си, u _зи) составляющими напряжений, то при малых значениях переменных составляющих напряжений (u _зи << , u _си << ) можно пользоваться линеаризованными статическими ВАХ, получаемыми на основе формулы полного дифференциала функции. Т.к. ток стока является функцией двух переменных I _c = I _c (U _си, U _зи), то полный дифференциал тока стока определяется виде соотношения

.                   (1)

Входящие в выражение (1) частные производные определяют тангенсы углов наклона графиков линеаризованных ВАХ транзистора. При некоторых заданных значениях постоянных составляющих напряжений U _си, U _зи они являются следующими дифференциальными параметрами транзистора:

- крутизна передаточной характеристики

;                         (2)

- дифференциальное сопротивление цепи исток-сток

.                          (3)

Уравнение (1) с учетом (2) и (3) принимает вид

.                              (4)

Полагая в (4) приращения dU _си и dU _зи такими, что dI _c =0, получаем

,                     (5)

где µ – коэффициент усиления транзистора по напряжению.

Коэффициент усиления µ показывает, насколько U _зи сильнее влияет на изменение I _c, чем U _си.

Статические дифференциальные параметры s,  и µ для некоторого заданного режима работы транзистора, определяемого значениями , , можно определить по статическим передаточным или выходным вольтамперным характеристикам, заменяя в формулах (2), (3) и (4) дифференциалы переменных их малыми конечными приращениями ∆ I _c, ∆ U _си,∆ U _зи.

Если в (4) эти приращения рассматривать как переменные составляющие тока i _c и напряжений u _си и u _зи, то (4) принимает вид

.                             (6)

С учетом (5) равенство (6) представляется в виде

.                             (7)

Из уравнений (6) и (7) следуют упрощённые варианты электрических моделей транзистора для случаев не очень быстрых малых изменений напряжений (рис.12, а и рис.12, б), где i _s = su _зи, e _µ = – µ u _зи.

При достаточно быстрых изменениях напряжений эквивалентные схемы рис.12 должны быть дополнены емкостными параметрами транзистора.

                 а                                           б

Рис. 12

Схема варианта реализации электрической модели транзистора с управляющим р–n- переходом для случая достаточно быстрых изменений напряжения (рис.13) содержит дифференциальные параметры (s, r _си), межэлектродные емкости (С_зс, С_зи, С_си), емкость p–n- перехода между затвором и каналом (С_зк), сопротивление обратно смещенного p–n -перехода (R_зк), объемное сопротивление канала между p–n -переходом и истоком (R_к) и источник тока , выражающий усилительные свойства транзистора.

Типичные значения этих параметров у маломощных транзисторов находятся в пределах: s = 0,3…10 мА/В; (С _зс, С _зи, С _си) = 0,2…1,0 пФ; С _зк = 2…10 пФ; R _зк= 10⁸…10⁹ Ом; = 10⁴…10⁶ Ом; R _к = 50…200 Ом.

Быстродействие устройств на основе полевых транзисторов определяется значениями межэлектродных емкостей, постоянной времени транзистора  и зависимостью s от частоты входного сигнала.