Устройство и принцип действия полевого транзистора с МДП -структурой

Свое название этот тип полевых транзисторов получил из-за своей структуры металл - диэлектрик - полупроводник. Поскольку в качестве диэлектрика обычно используется окисел, то их на­зывают МОП-транзисторами. Каждый прибор состоит из под­ложки и расположенных в ее объеме двух сильно легированных противоположной относительно подложки примесью областей (называемых истоком и стоком и обычно геометрически сим­метричных, хотя и необязательно) и металлического затвора, расположенного на поверхности тонкого (порядка 0,1 мкм и менее) слоя диэлектрика (обычно окисла материала подложки), как это показано на рис. 2.10.

Принцип действия полевого МДП -транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между истоком и стоком под действием напря­жения, приложенного к управляющему электроду - затвору, от­деленному от поверхности полупроводника тонким слоем ди­электрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропро­водностью называется каналом

Существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуци­рованным и встроенным каналом. В МДП-транзисторе с индуци­рованным каналом при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. В МДП -транзисторе со встроенным каналом он со­здан технологическими средствами и присутствует всегда. Посколь­ку технология транзисторов с индуцированным каналом проще, они имеют преимущественное распространение.

При подаче потенциала между истоком и стоком ток в цепи отсутствует, так как обязательно один из имеющихся р-п-пере­ходов будет включен в обратном направлении и заперт. Если по­дать на затвор отрицательный потенциал, то приповерхностный слой на границе раздела подложка - диэлектрик обогатится дыр­ками и ситуация не изменится. При подаче положительного по­тенциала основные носители подложки - дырки - будут оттес­няться электрическим полем в подложку, а неосновные - элект- роны - начнут подтягиваться к границе раздела. При увеличении потенциала на затворе при поверхностный слой будет все более обедняться основными носителями заряда и обогащаться неоснов­ными.

При каком-то значении потенциала (называемом пороговым) концентрация электронов превысит концентрацию дырок, про­изойдет инверсия (изменение типа проводимости) канала и че­рез него потечет ток. Толщина канала в современных МДП-тран­зисторах составляет порядка 10 нм.

Необходимо соблюдение точного расположения металлической обкладки затвора над областью канала, поскольку управляющее электрическое поле создает канал только в области своей геомет­рии, поэтому при меньшей площади затвора на краях канал обра­зовываться не будет и работоспособность прибора будет нарушена. При большей площади затвора электрическое поле будет вытяги­вать электроны прямо на затвор через подзатворный диэлектрик и работоспособность прибора также будет нарушена.

Индуцированный канал в зависимости от структуры транзис­тора может быть р- и n-типов, но поскольку подвижность элект­ронов (а следовательно, и быстродействие прибора) в 2,5 раза выше, чем дырок, то транзисторы с n-каналом более предпочти­тельны. Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с р- и n-каналами, называются комплементарными, поскольку необходимым условием их работы является комплемен­тарность пороговых напряжений на затворе. Одной из основных характеристик полевого МДП -транзистора является стоковая ха­рактеристика, представляющая собой зависимость тока стока I_с от напряжения исток -сток, как это показано на рис. 2.11.

Если напряжение (потенциал между истоком и стоком) равно нулю, то поле в диэлектрике однородное и толщина обра­зовавшегося канала везде одинакова. Если , то вследствие протекания тока потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Следовательно, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается, что при водит к сужению толщины канала вблизи стока. При некотором критическом напряжении на стоке, которое называется напряжени­ем насыщения, разность потенциалов между затвором и поверх­ностью вблизи стока становится равной нулю. При этом в этой точке становится равной нулю напряженность поля в диэлектри­ке, образуется «горловина» канала. После этого ток в рабочей цепи практически не зависит от напряжения на затворе и наступает на­сыщение, что соответствует пологому участку BАХ (кривая 2 соот­ветствует более высокому потенциалу на затворе, чем кривая 1).

На практике пользуются эмпирическими выражениями для BАХ:

(2.9)

где b - удельная крутизна МДП транзистора.

Удельная крутизна МДП -транзистора определяется по формуле

, (2.10)

где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; - припо­верхностная подвижность носителей (обычно в 2 - 3 раза меньше объемной); W - ширина канала.

Но выражение (2.10) описывает участок кривой для - напряжения насыщения. Для пологих участков BАХ пользу­ются выражением

(2.11)

Выражению (2.11) соответствует так называемая стоко-затвор­ная характеристика - зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении исток-сток (рис. 2.12).

Приведенные эмпирические выражения широко используются на практике, однако они дают большую погрешность при расчетах при высокой концентрации примесей - свыше 10¹⁵ см^-3 (что чаще всего и имеет место). Стоко-затворная характеристика определя­ется крутизной b, которая, в свою очередь, зависит от длины канала, ширины канала и толщины подзатворного диэлектрика.

Действительно, чем меньше длина канала, тем меньше его со­противление, соответственно, тем больше ток при прочих равных параметрах и тем круче характеристика. Чем больше ширина ка­нала - тем больше носителей участвует в процессе переноса тока и тем круче кривая 2 по отношению к кривой 1. Чем тоньше под­затворный диэлектрик, тем легче электрическое поле проникает в полупроводник и тем раньше потечет ток. Следовательно, в этом случае стоко-затворные характеристики будуг соответствовать раз­личным значениям порогового напряжения и исходить из разных начальных точек.

Поиск по сайту: