Полевой эффект и его применение (стр. 9 из 19)

Выделяют следующие виды полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом, с изолированным затвором.

Полевой транзистор с управляющим переходом – это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала[7,9].

3.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рисунке 25.

Рисунок 25. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором (с p - каналом): а – с индуцированным каналом, б – со встроенным каналом.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может составлять всего несколько микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,1 мкм) слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, т.е. МДП-структура.

Полевой транзистор с изолированным затвором, в котором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом использован диэлектрик, называют полевым транзистором типа металл – диэлектрик – полупроводник или МДП-транзистор.

Выпрямляющие переходы под истоком и стоком могут быть выполнены в виде p-n- переходов, переходов Шотки, т.е. путем нанесения металлических электродов истока и стока непосредственно на подложку. Использование выпрямляющих переходов Шотки под истоком и стоком обеспечивает ряд преимуществ в технологии изготовления таких транзисторов, а так же улучшит их характеристики. Так, переходы Шотки имеют сравнительно малую толщину, что облегчает создание полевых транзисторов с очень коротким проводящим каналом.

Пока исходным полупроводником для полевых транзисторов с изолированным затвором в основном является кремний. Поэтому в качестве диэлектрика под затвором используется обычно слой диоксида кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления.

Существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рисунок 28 а), проводящий канал между сильнолегированным областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением(U_ЗИпор).

Изображенные на рисунке 28 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n- типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а так же индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p- типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p- типа, то канал у них будет иметь электропроводность n- типа[7,9].

3.3 МДП-транзистор с индуцированным каналом

Принцип действия. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n- перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры рисунок 28а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_{ЗИ пор}) у поверхности полупроводника под затвором возникают обедненный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших порогового U_{ЗИ пор}, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсионный слой, который и является проводящим каналом между истоком и стоком. С изменением напряжения на затворе концентрация основных носителей заряда в проводящем канале, а так же, а так же толщина или поперечное сечение проводящего канала, т.е. происходит модуляция сопротивления проводящего канала. Основной причиной модуляции сопротивления проводящего канала в МДП-транзисторах с индуцированным каналом является изменение концентрации носителей заряда в проводящем канале; в полевых транзисторах с управляющим переходом – изменение толщины или поперечного сечения канала.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи ничтожно мал, мала мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электрических сигналов по напряжению и по мощности.

Выходные статические характеристики. Характер зависимости I_С= f(U_СИ) при U_ЗИ= constдля МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим переходом.

Рисунок 26. Выходные статические характеристики (а) и статические характеристики передачи (б) МДП-транзистора с индуцированным каналом[7].

Сулинейность крутых частей характеристик (рисунок 26 а) объясняется уменьшением толщины канала около стока при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжение на затворе, так как на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между истоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Поэтому при увеличении тока стока происходит уменьшение поперечного сечения канала около стока.

При напряжении насыщения U_{СИ НАС} происходит перекрытие канала около стока и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока. Распределение напряженности электрического поля у поверхности полупроводника при напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения, т.е. для пологой части выходных характеристик, показано на рисунке 27. На расстоянии ι₁ от сильнолегированной области истока преобладает нормальная составляющая напряженности электрического поля, созданная напряжением на затворе. На этом участке существует инверсионный слой у поверхности полупроводника. На расстоянии ι₂ от сильнолегированной области стока преобладает касательная составляющая электрического поля, созданная напряжением на стоке относительно истока. Несмотря на то, что на участке канала протяженностью ι₂ нормальная составляющая напряженности имеет другое направление и отталкивает дырки от поверхности полупроводника, через этот перекрытый участок канала идет ток, связанный с движением под действием сильного тянущего поля (касательной составляющей).

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока (рисунок 26 а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя: пробой p-n- перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Статические характеристики передачи. Характер зависимости I_С= f(U_ЗИ) при U_СИ= const ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U_{ЗИ ПОР} (рисунок 26б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических характеристик (рисунок 26а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

Интересным и важным с точки зрения применения МДП-транзисторов является температурное изменение статических характеристик передачи. С увеличением температуры в рабочем диапазоне температур уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к уменьшению тока стока. Так же происходит перераспределение носителей по энергиям и смещение уровней Ферми к середине запрещенной зоны. В связи с таким смещением уровня Ферми инверсионный слой образуется у поверхности полупроводника при меньших напряженностях электрического поля. Поэтому с увеличением температуры пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР} уменьшается. В результате статические характеристики передачи для неизменного напряжения на стоке, но для разных температур пересекаются

Таким образом, температурные изменения тока стока при неизменных напряжениях на МДП-транзисторе могут быть как отрицательными, так и положительными; а также нулевыми в определенной рабочей точке статических характеристик. Обычно эффект температурной компенсации получается при напряжениях на затворе, не значительно превышающих пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР}. Кроме того, еще надо учитывать, что крутизна характеристики S, определяющая усилительные свойства МДП-транзистора, изменяется с температурой даже при неизменном постоянном токе стока[9,7].