Ключевой режим полевого транзистора. Что такое полевой транзистор и как его проверить

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Если в полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом затвор имеет электрический контакт с каналом, то в нолевых транзисторах с изолированным затвором такой контакт отсутствует. В этих транзисторах (рис. 1.16, а, б ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП-транзисторы. Аббревиатура "МДП" расшифровывается как "металл – диэлектрик – полупроводник", а "МОП" – как "металл – оксид – полупроводник". В последнем случае иод "оксидом" понимается оксид кремния, который является высококачественным диэлектриком.

Исток и сток формируют в виде сильно легированных областей полупроводника. За счет этого области истока и стока имеют высокую концентрацию носителей, что отмечено на рисунке знаком "+". Как МДП-, так и МОП-транзисторы могут быть выполнены с каналом р- и n -типов. Канал в этой группе транзисторов может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении) и индуцированным (т.е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору).

Полевой транзистор с встроенным каналом

На рис. 1.16, а изображен МДП-транзистор с встроенным каналом n-типа (тонким слоем полупроводника n -типа), соединяющим исток и сток (n+-области). Эти области образованы в подложке – полупроводнике p-типа. Строго говоря, в МДП- и МОП-транзисторах не три, а четыре электрода, включая подложку. Однако часто подложку электрически соединяют с истоком (или стоком), образуя три вывода.

Рис. 1.16. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом (я); его условное обозначение (б); передаточная (в) и выходные (г) характеристики

В зависимости от полярности напряжения U ЗИ, приложенного к затвору относительно истока, в канале может изменяться концентрация основных носителей (в рассматриваемом случае – электронов). При отрицательном напряжении на затворе Uзи электроны выталкиваются из области канала в области п +, канал обедняется носителями и ток I с снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из областей п + в канал и ток I с через канал возрастает. Таким образом, в отличие от полевого транзистора с р-n-переходом в этом полевом транзисторе управляющее напряжение может быть как отрицательным, так и положительным, что отражено на его передаточной (рис. 1.16, в) и выходных (рис. 1.16, г) характеристиках.

Полевой транзистор с индуцированным каналом

Этот вид транзистора отличается от предыдущего тем, что при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует (рис. 1.17, а), так как η-области истока и стока образуют с р-подложкой два р-n-перехода, включенные навстречу друг другу, и, значит, при любой полярности напряжения U cn один из переходов заперт.

Если же на затвор подать напряжение больше порогового UЗΗ > UЗИпор, то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из n+-областей (и в какой-то мере из подложки), образуя тонкий слой n-типа в приповерхностной области р-подложки (рис. 1.17, б). Этот слой соединяет исток и сток, являясь каналом n-типа. От подложки канал изолирован возникшим обедненным слоем.

Таким образом, полевые транзисторы с индуцированным n-каналом (n-МОП-транзисторы), в отличие от рассмотренных ранее полевых транзисторов, управляются только положительным сигналом Uзи (рис. 1.17, г). Значение порогового напряжения у них 0,2:0,1 В.

Значительно больше пороговое напряжение у p-МОП-транзистора, принцип работы которого аналогичен n-МОП-транзистору. Но в связи с тем, что носителями в нем служат дырки, а не электроны, полярность всех напряжений у этого транзистора противоположна n-ΜОП-транзистору. Значение порогового напряжения этого типа транзисторов составляет 2:4 В (рис. 1.17, Э).

Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (03), общим истоком (ОН) и общим стоком (ОС). Как правило, используют схему с ОИ, так как она, подобно схеме с ОЭ биполярных транзисторов, позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.

Рис. 1.17. Полевой транзистор с индуцированным каналом в исходном состоянии (а) и при приложенном напряжении на затворе (б); его условное обозначение (в); передаточная (г) и выходные (д) характеристики

Преимущества полевых транзисторов:

1) высокое входное сопротивление в схеме с ОИ;

2) малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществляют только основные для канала носители и, следовательно, нет рекомбинационного шума;

3) высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий;

4) высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.

Отметим также интересную особенность полевых транзисторов: в принципе исток и сток в транзисторах равноправны, т.е. в зависимости от приложенной полярности напряжения исток и сток могут меняться местами. На этом свойстве основано использование полевых транзисторов в качестве электронных ключей вместо обычных контактных переключателей.

Полевые транзисторы широко используются в усилителях, генераторах и другой радиоэлектронной аппаратуре, а МОП-транзисторы являются основой для разработки всех современных средств вычислительной техники, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, полупроводниковую память.

Сравнивая условные обозначения транзисторов (см. рис. 1.8, б; 1.9, б; 1.15, б, в; 1.16, б; 1.17, в), подчеркнем, что стрелка в них всегда направлена от р-области к п-области, что позволяет легко установить, например, тип канала полевого транзистора.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10 14 Ом.

От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U си иU зи.

Схемы включения полевых транзисторов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

Напряжение отсечки.

Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора

Входное сопротивление

Поясните влияние на ток стока напряжений U зи и U си .

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала ), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала ). Часто просто говорят орежиме обеднения ирежиме обогащения . Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения - характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление какнасыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения ), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток-исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток-исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть егорежимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.

Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.

В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р -п -перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными , потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом .

Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р -проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором , образующий плоский р-п -переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п -затвор и отрицательное на р -затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п -переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.

Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания , или пороговым напряжением , см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п -переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п -переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10 -10 А).

Полевые транзисторы с изолированным затвором

полевые транзисторы с индуцированным каналом

На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором . Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае название изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).

Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки , или основания ) из кремния с р -проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п -проводимостью (исток и сток), разделенные областью п -канала, имеющей преобладающую р -проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных р‑п‑ перехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.

Однако, если на поверхностный слой р -полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п -проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего р‑п‑ переходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость п‑ канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.

Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.

Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.

Если основание выполнено из п -кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с р‑ проводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным р‑каналом (с проводимостью р ) (рис. 5.3 справа).

полевые транзисторы со встроенным каналом

МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п -каналом. Основание выполнено из р -кремния, а исток и сток имеют п -проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной р‑ проводимостью.

Если основание сделано из п -кремния, а исток и сток - из р -кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).

Работу п -канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п -канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.

При подаче на затвор положительного напряжения п -канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).

Классификация и характеристики полевых транзисторов

Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с р‑п -переходом и п -канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п -канальными, так и р -канальными (рис. 5.5).

Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения , получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).

Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.

Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости - при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости i с от u си для ряда значений u зи.

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)

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 ).

Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.
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.
Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.
Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.
Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

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).

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.

ЛЕКЦИЯ 11. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

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

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом

p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.1. а, б, в и г соответственно. Основой для изготовления полевого транзистора является кристалл полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой. В ней созданы две сильнолегированные области с противоположным (типу проводимости подложки) типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между истоком и стоком небольшое – порядка нескольких микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким, порядка 0.1мкм, слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрока и полупроводника (МДП). В МДП-транзисторе со встроенным каналом у поверхности полупроводника имеется слой с инверсным, относительно подложки, типом проводимости. Если в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO2, то такие структуры носят название МДП (металл-окисел-полупроводник), а транзисторы – МДП-транзисторы.

Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом n –типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.2 (в вертикальном сечении под затвором вдоль оси х ). В диаграмме сделано упрощение на границах металл-диэлектрик и диэлектрик - полупроводник n -типа не изображены искривления энергии дна зоны проводимости и верха валентной зоны. При этом использовано приближение плоских зон, согласно которому контактными разностями потенциалов (φк~0.1В) можно пренебречь по сравнению внешними напряжениями (U ~1÷10В) и считать зоны плоскими.

Модуляция сопротивления проводящего канала МДП-транзистора может происходить при измерении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. Таким образом МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обогащения канала (зонная диаграмма приведена на рис.3), и режиме обеднения канала (зонная диаграмма показана на рис.4). На рис. 5 а и б представлены статические характеристики МДП-транзистора с каналом n -типа выходная и проходная. МДП-транзистор может работать без начального смещения. Затвор транзистора изолирован слоем диэлектрика, поэтому его входное сопротивление высокое 1÷10Мом.

Ширину канала можно изменять с изменяя напряжение на подложке, зто удоьно для модуляции.

В МДП-транзисторах могут произойти два вида электрического пробоя: 1. Лавинный пробой p- n -перехода под стоком (сток – подложка); 2. Тепловой пробой диэлектрика под затвором (затвор – канал). Механизм теплового пробоя: на барьерной емкости затвора накапливается статический электрический заряд, из-за дефектов в тонком слое диэлектрика, образуется тонкий шнур тока. В нем происходит локальное повышение температуры, что вызывает экспоненциальное увеличение количества пар электрон-дырка, сопротивление проводящего канала уменьшается и барьерная емкость разряжается с выделением добавочного тепла в тонком канале. Транзистор необратимо выходит из строя. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором необходимо защищать от статического электричества: хранить с закороченными выводами, паять на заземленном металлическом столе, паяльником с заземленным жалом, а оператору работать с заземляющим браслетом на руке.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.6. а,

б, в и г соответственно. Образование встроенного канала с инверсным типом проводимости при контакте металл-узкозоный проводник подробно описано в Лекции 6. “Контакты металл-полупроводник”.

Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n -типа в режиме обогащения показана на рис.7. Диаграмма изображена в сечении вдоль оси х см. рис.6.б.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором с каналом n -типа приведены на рис.8 а и б.

3. Комплиментарные металл-окисел-полупроводник структуры

Комплиментарные (дополнительные по типу проводимости) МОП структуры (КМОП) состоят из двух полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом, один из которых имеет канал p -типа, а другой – n -типа. Схема включения КМОП-структуры показана на рис.9, а. Пороговое напряжение МОП транзистора с каналом n -типа – U пор1, а с каналом p -типа – U пор2. Если подать на вход схемы напряжение питания U >U пор1, то в нижнем транзисторе образуется индуцированный канал n -типа. В верхнем транзисторе канала нет. На выходе схемы будет напряжение U вых=0. Если подать на вход U вх=0 (соединить вход с “нулевым” проводом), то при U пит>U пор2, в верхнем транзисторе образуется индуцированный кнал p -типа. В нижнем транзисторе канала нет. Выходное напряжение будет равно напряжению питания U вых=U . Получился типичный инвертор напряжения.

Чем КМОП структура лучше простого инвертора (рис.9, б)? Сравним проходные характеристики КМОП структуры и простого (рис.10, а и б). Если простой инвертор находится в открытом состоянии, то через него течет максимальный ток, если в закрытом, то тока практически нет. Через КМОП структуру ток течет только в момент ее переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В обоих устойчивых состояниях ток не течет. В микропроцессорах много переключающих элементов, их обычное состояние – половина открыта, а половина закрыта. Поэтому в статическом положении микропроцессоры на обычных инверторах потребляют большую энергию, а КМОП структуры ее не потребляют. Поэтому КМОП структуры выгоднее применять в устройствах у которых мала частота переключения, например в электронных часах. Обычные инверторы выгоднее применять при больших частотах переключения.

4. V-МОП - транзисторы

Для создания мощного полевого транзистора необходимо учесть особенности работы мощных транзисторов:

1) Работа при выходных больших токах I и больших плотностях токов J , для этого надо создать транзистор с большой крутизной проходной характеристики,

2) Для обеспечения большой мощности в нагрузке используют источники питания с большим напряжением, поэтому транзистор должен работать с большими напряжениями на стоке U с,

3) Необходимо иметь большой коэффициент полезного действия η для этого должно быть малое падение напряжения на полностью открытом канале, т. е. внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения r нас должно быть мало,

4) Конструкция мощного транзистора должна обеспечивать эффективный теплоотвод,

5) Мощные транзисторы должны быть достаточно быстродействующими.

Плотности токов J для Ge – 100А/см2, Si – 200А/см2, GaAs – 100А/см2, поэтому мощные транзисторы как правило изготавливают на основе кремния. На рис.11 приведен вид сверху на маломощный полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом n -типа. Укорачивая длину затвора l при постоянной ширине канала h можно уменьшить сопротивление канала. Расширяя канал при постоянной длине канала можно пропускать большие токи. Крутизна проходной характеристики , поэтому у мощного транзистора должен быть короткий широкий канал. Но, приближая исток к стоку можно получить электрический пробой при малых напряжениях на стоке U с. Лавинный пробой происходит через тонкий слой диэлектрика (или по поверхности) между истоком и затвором.

Для устранения этого противоречия и создания мощных транзисторов, рассчитанных на большие токи с большой крутизной S , делают V-образные структуры как показано на рис.12. При такой конструкции получается транзистор с коротким и широким каналом, в котором затвор и сток пространственно разнесены. Для уменьшения r нас используют высоколегированные области n + под истоком и над стоком. Для увеличения выходного тока на одном кристалле изготавливают несколько транзисторов и включают их параллельно. Для отвода тепла на массивный электрод стока устанавливают внешний радиатор.

http://pandia.ru/text/78/188/images/image013_8.gif" width="614" height="345">

Недостаток элемента памяти на МНОП-структуре состоит в том, что при перепрограммировании напряжение стирания необходимо подавать на затвор каждого элемент памяти. Для ускорения процесса стирания информации применяют элементы памяти на МОП –структурах с плавающим затвором (рис.15). В этих структурах отсутствует металлический электрод затвора, а диэлектрике имеется слой поликристаллического кремния. Поликристаллический кремний имеет много дефектов, которые являются ловушками для дырок. Такой скрытый слой – накопитель положительного заряда выполняет функции затвора и называется “плавающим” затвором.

Запись информации происходит путем поверхностного пробоя промежутка исток-сток через диэлектрик и слой поликристаллического кремния. Дырки накапливаются в поликристаллическом кремнии и на “плавающем” затворе образуется положительный заряд. Из глубины кристалла Si-n-типа к поверхности притягиваются электроны (неосновные носители) и между истоком и стоком образуется проводящий канал n -типа. Слой поликристаллического кремния изолирован от полупроводника слоем диэлектрика с малыми током утечки, поэтому заряд на “плавающем” затворе сохраняется долго порядка 10 лет. Пока сохраняется заряд существует и проводящий канал. Для стирания заряда МНОП-структура засвечивается сверху ультрафиолетовым излучением. Дырки получают дополнительную энергию и могут туннелировать через тонкий слой диэлектрика в полупроводник. Заряд в “плавающем” затворе рассасывается и индуцированный канал исчезает. В

микросхемах памяти делают специальные окошечки прозрачные для ультрафиолетового излучения, и стирание информации происходит сразу на всех ячейках памяти.