Обзор литературы

Теоретические сведения о полевых транзисторах

Идея полевого транзистора (ПТ) основана на возможности управлять электрическим током посредством изменения размеров и потенциала токопроводящего канала с помощью ортогонального каналу электрического поля. Именно поэтому такие транзисторы называются полевыми.

В самом общем виде структуру обобщённого ПТ можно представить в виде плоского конденсатора, между обкладками которого в диэлектрике помещён полупроводник, являющийся токопроводящим каналом (рис. 1.1). На металлические обкладки подаётся напряжение , которое формирует управляющее электрическое поле, ортогональное каналу. Обкладки играют роль затвора, управляющего проводимостью канала. Канал изолирован от затвора, чтобы минимизировать или предотвратить утечку тока в затвор. Электрод начального участка канала называется истоком. Электрод конечного участка канала называется стоком. Под действием приложенного напряжения сток-исток от истока к стоку переносятся основные носители заряда (ОНЗ), формирующие дрейфовый ток канала.

Рис. 1.1. Обобщённая структура полевого транзистора

Существуют три типа ПТ, которые различаются физической структурой, реализацией канала, изоляции и затвора, а также способом управления проводимостью канала. Это ПТ - с управляющим p-n-переходом, с управляющим переходом металл-полупроводник и с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим p-n-переходом роль затвора выполняет несимметричный p-n-переход, менее легированная область которого является токопроводящим каналом, а изолятором служит обеднённая область пространственного заряда (ОПЗ) (рис. 1.2). Обратное смещение p-n-перехода, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону канала и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.

Рис. 1.2. Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

У ПТ с управляющим переходом металл-полупроводник затвором служит выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Токопроводящим каналом является полупроводник. Изолятором служит ОПЗ (рис. 1.3). Обратное смещение контакта металл-полупроводник, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону полупроводника и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.

Рис. 1.3. Структура полевого транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник

У ПТ с изолированным затвором служит МДП-конденсатор, имеющий структуру металл- диэлектрик-полупроводник. Каналом является поверхностный слой полупроводника. Канал изолирован от электрода затвора тонким слоем диэлектрика. Поэтому такие транзисторы называют МДП-транзисторами либо МОП-транзисторами, если диэлектриком является окисел полупроводника. Электрическое поле затвора, проникая в полупроводник, управляет проводимостью полупроводникового канала.

МДП-транзисторы, у которых области истока и стока разделены подзатворным слоем слаболегированного полупроводника противоположного типа проводимости, относятся к группе ПТ с индуцированным каналом (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

С помощью электрического поля сначала необходимо изменить (инвертировать) тип проводимости подзатворного слоя и индуцировать канал. МДП-транзисторы, у которых между истоком и стоком уже имеется канал, относятся к группе ПТ со встроенным каналом (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Каждый из перечисленных типов ПТ может иметь канал n- или р-типa проводимости.

Пороговое напряжение.

Если в МОП-транзисторе с индуцированным каналом между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения , так и от напряжения сток-исток . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 - 4 В.

Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности . Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения , транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно , а в окрестности стока - разности . Поэтому при увеличении напряжения сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях , превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению соответствует свое значение напряжения насыщения.

Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис. 1.6. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 1.6 пунктиром.

В режиме отсечки , . Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению .

Рис. 1.6

В линейном (триодном) режиме , а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения:

Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением:

Здесь b - удельная крутизна МОП-транзистора:

В (1.2) µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость затвор-канал, L - длина, W - ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, квадратичным слагаемым в (1.1) можно пренебречь. В этом случае мы получаем линейную зависимость:

Величину называют проводимостью канала, а обратную величину - сопротивлением канала:

Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если , сопротивление канала практически бесконечно. С увеличением сопротивление уменьшается.

Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда , а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения:

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения . Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.

Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.

Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 1.7. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение

Рис. 1.7

Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением:

Удельная крутизна характеристики МОП-транзистора определяется выражением (1.2).

В МОП-транзисторе со встроенным каналом при подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения . Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают .

Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным . Если , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.

Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении . Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8

Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом показана на рис. 1.9.

Рис. 1.9

Начальное значение тока стока МОП-транзистора с встроенным каналом определяется выражением:

Здесь µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость канала затвора. Длина канала L равна расстоянию между областями стока и истока, а ширина W - протяженности этих областей.

Ток, который вносит вклад в ток стока, но не может управляться напряжением затвор-исток, обычно определяется как ток утечки. Токи утечки могут приводить к неисправности аналоговых и цифровых схем, поскольку они преобладают в канальных токах в КНИ МОПТ при высоких температурах. Различные механизмы внутри устройств вносят вклад в уровень тока утечки КНИ МОПТ.