Лекции 2 курс.Кравченко Н.П / 3 часть. Кравченко Н.П

Разработка полевых транзисторов вызвана стремлением создания усилительного прибора с большим входным сопротивлением (как у электронных ламп). Появившиеся значительно раньше биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление. В результате исследований были разработаны транзисторы, управляемые электрическим полем (напряжением), в связи с чем и получили название полевых. Их работа основана:

на изменении сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

на использовании носителей зарядов одного вида (электронов или дырок), из-за чего их еще называют униполярными.

Под действием поля создается проводящий слой, или канал, по которому протекает рабочий ток. Создаются два типа каналов:

объемные каналы, представляющие собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Для транзисторов с объемным каналом характерно то, что обедненный слой создается с помощью p-n-перехода. Управление сопротивлением канала осуществляется с помощью электрического поля путем изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя (ширины p-n-перехода). Отсюда следует название — полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. В дальнейшем используется название полевые транзисторы;

приповерхностные каналы. Управление сопротивлением канала осуществляется помощью электрического поля путем изменения удельной проводимости полупроводникового слоя. Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Обычно в качестве диэлектрика используется двуокись кремния поэтому часто этот тип транзисторов называют МОП-транзисторами. Это название и будет использоваться в дальнейшем.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Полевой транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или p- типа, на поверхность которой нанесен слой полупроводника с электропроводностью противоположного типа. Для определенности будем полагать, что основная пластина состоит из полупроводника n- типа. На торцы основной пластины с полупроводником n- типа и верхнюю часть полупроводника p- типа нанесены металлические пленки, к которым приваривают или припаивают внешние выводы транзистора (рис. 1). Электрод, обеспечивающий электрическую связь со слоем p- типа, называют Затвором (3), а электроды, подключенные к полупроводнику n- типа, — истоком (И) и стоком (С). Между полупроводниками с разными типами электропроводности образуется p-n-переход (заштрихованная область). Находящийся под ним слой, образуемый полупроводником пластины, обладает проводимостью и называется проводящим каналом (рис. 1, а). Поскольку p-n-переход почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю. Ширина p-n-перехода d определяет величину сечения токопроводящего канала. Для эффективного управления сечением канала управляющий p-n-переход делают резко несимметричным, чтобы запирающие слой в основном располагался в толще пластины с полупроводником n-типа, т.е. в канале имеющие относительно малую концентрацию основных носителей, т.е. При всегда можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе , при котором произойдет полное перекрытие канала и ток канала (рис.1, б).

Так как управление сечением канала (и соответственно током ) производится обратно включенным p-n-переходом, сопротивление участка затвор — исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении.

При прямом включении управляющего p-n-перехода возникает относительно большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор — исток резко уменьшается, поэтому такое включение не используется.

Особенности рабочего режима. В рабочем режиме по каналу протекает ток (рис. 2, а). Из-за конечного значения сопротивления отдельных участков полупроводника n-типа потенциалы различных поперечных сечений канала будут неодинаковыми. Потенциал , распределенный вдоль канала, возрастает по определенному закону от сечении истока до в сечении стока. Обратное (отрицательное) напряжение p-n-перехода, равное , также возрастает в направлении стока, а это вызывает соответствующее увеличение толщины запирающего слоя и сужение сечения канала. Наибольшим сечение канала будет возле истока, где , и наименьшим — возле стока, где обратное напряжение p-n-перехода равно (следует иметь в виду, что ).

Если увеличивать напряжение стока , то это вызовет увеличение тока и напряжение может достичь напряжения отсечки , а это означает, что в сечении возле стока должно произойти перекрытие канала (рис. 2, б). На самом деле полного перекрытия канала не происходит. Реально в самом узком месте возле стока остается некоторое малое (отличное от нуля) сечение канала , которое сохраняется и при дальнейшем увеличении напряжения . В результате происходит не отсечка тока, а его ограничение , т.е. ток канала становится практически независимым от . Такой процесс называется насыщением, а напряжение, при котором он возникает — напряжением насыщения , которое определяется из условия .

МОП-транзисторы

Общие сведения. В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика, в качестве которого обычно используется окисел кремния . Работа МОП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления полупроводника. Управление сопротивлением канала осуществляется путем изменения разности потенциалов между объемом полупроводника и затвором. При этом изменяется основной ток транзистора — ток между истоком и стоком. Существует четыре разновидности МОП-транзисторов, которые подразделяют:

по проводимости канала — n-канальные и p-канальные;

по способу создания канала — с индуцированным каналом и встроенным каналом.

В микросхемах более широко распространены МОП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Это связано с тем, что при одинаковой конструкции n-канальные транзисторы (из-за большей подвижности электронов по сравнению с дырками) обладают лучшими характеристиками, чем p-канальные транзисторы.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Структура транзистора (рис. 4, а). Основой для изготовления транзистора служит кристаллическая пластинка слаболегированного кремния p-типа, которая называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с n-типом проводимости, расположенные в непосредственной близости друг от друга (от 5 до 50 мкм). Одна из этих областей используется как исток И, другая — как сток С. Между истоком и стоком поверх тонкого (0,2. 0,3 мкм) изолирующего слоя из двуокиси кремния располагается металлический затвор 3. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами. Подложку обычно соединяют с истоком.

Принцип действия. Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при различных напряжениях, подаваемых на затвор и сток относительно истока:

При нулевом напряжении на затворе транзистор представляет собой два встречно включенных p-n-перехода. Поэтому при любой полярности напряжения на стоке рабочий ток транзистора (ток между истоком и стоком) весьма мал, так как равен току обратно смещенного p-n-перехода. При отрицательном напряжении на затворе приповерхностный слой p-полупроводника обогатится дырками и рабочий ток будет по-прежнему иметь малое значение;

При подаче на затвор небольшого положительного напряжения основные носители p-полупроводника дырки начнут уходить в глубь приповерхностной области, в результате чего создается так называемый обедненный слой. На рис. 4, а) показан пороговый режим, при котором в обедненном поверхностном слое подложки только намечаются формирование токопроводящего канала и появление тока стока (при );

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе (рис. 4, б) в подложке индуцируется слой, обладающий проводимостью n-типа, который соединяет n-области истока и стока, являясь токопроводящим каналом между ними. При этом большему положительному напряжению затвора соответствуют большая удельная проводимость и большая толщина канала, что соответственно вызывает увеличение проводимости канала в целом. Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными каналам и.

Эти напряжения соответствуют рабочему режиму, когда по каналу течет ток , обусловленный дрейфом электронов от истока к стоку. Напряжение затвора относительно различных поперечных сечений канала оказывается неодинаковым, а изменяется от возле истока до возле стока. В связи с этим ширина индуцированного канала больше возле истока и меньше возле стока. Общая проводимость канала соответственно уменьшается.

Рис. 4. МОП-транзистор с индуцированным каналом

При напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению , что приводит к условному перекрытию индуцированного канала около стока (рис. 4, в). Транзистор входит в режим насыщения. Напряжение стока, при котором возникает обедненная область канала возле стока, называется напряжением насыщения

Дальнейшее увеличение напряжения стока приводит к увеличению обедненной области канала на которой выделяется все излишнее (добавочное) напряжение . В режиме насыщения происходит незначительное увеличение тока канала (рис. 4, г).

При дальнейшем увеличении напряжения возникает (лавинный) электрический пробой p-n-перехода сток—подложка и ток стока резко возрастает.

МОП-транзисторы со встроенным каналом. У транзисторов этого типа канал, соединяющий исток со стоком; имеется и при .

Канал изготавливают в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя, объединяющего исток со стоком. (рис. 6)

Рассмотрим процессы, происходящие в канале n-типа.

У транзисторов это типа встроенный канал отделяется от подложки не индуцированным, а реальным p-n-переходом (рис. 6, а). Транзисторы имеют большие значения начальной проводимости канала и отрицательного напряжения отсечки .

При отрицательном напряжении на затворе в канале индуцируется обедненный поверхностный слой, который при определенном значении смыкается с расширяющимся p-n-переходом канал — подложка и токопроводящий канал исчезает (рис. 6, б).

При положительном напряжении на затворе в канале индуцируется обогащенный поверхностный слой. Обогащение канала приводит к его расширению за счет обедненного слоя p-n-перехода канал — подложка (рис. 6, в). В результате общая проводимость канала увеличивается.

Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока вызывает увеличение тока стока и неравномерность распределения вдоль канала. При определенном значении напряжения происходит смыкание индуцированного обедненного слоя с расширяющимся p-n-переходом на стоковом участке канала (рис. 6, г), что приводит канал к режиму насыщения.