Полевой транзистор с управляющим р-n переходом
Если мешает неконтролируемый поверхностный заряд, то можно электрод, модулирующий проводимость полупроводника, под поверхностью кристалла. Структура такого транзистора приведена на рисунке.
На Si подложку р-типа наносят слой кремния n-типа толщиной ≈10 мкм. В требуемых местах в пленке n-типа формируют область р+-типа глубиной ≈3 мкм. Следовательно, на определенной глубине в пластине возникает р-n переход. Причем концентрация акцепторной примеси NA в этой области много больше концентрации донорной примеси NД в пленке. Поэтому обедненная область р-n перехода расположена в n-слое. Между Si подложкой р-типа и обедненной областью р-n перехода образуется проводящий канал. Если к р-n переходу приложить от источника VЗ обратное напряжение, то обедненный носителями слой, имеющий очень большое сопротивление, будет с ростом напряжения распространяться в глубину n-области. Толщина канала dк, по которому может протекать ток от источника VС, становится уже. Проводимость его уменьшается. При постоянном напряжении VС ток будет тем меньше, чем больше значение обратного смещения VЗ.
Электроды, служащие для пропускания тока через транзистор, называются истоком и стоком.
Истоком всегда называется электрод, через который носители заряда вводятся в канал. В данном случае электрод, к которому приложен - VС. Другой электрод – сток.
Полевой транзистор с р-n переходом относится к типу транзисторов с нормально открытым каналом. То есть, когда напряжение на затвор не подано Vз = 0, ширина канала dк имеет максимальную величину, а проводимость канала - max. С увеличением отрицательного напряжения Vз ширина канала уменьшается и проводимость падает. При напряжении на затворе Vз = Vо – напряжении отсечки, dк = 0 и ток Jс = 0. Транзистор ток не проводит.
Достоинство полевого транзистора с управляющим р-n переходом в очень маленьком управляющем токе затвора – токе Js обратно смещенного р-n перехода. Напомню, что ток насыщения Js ≈ 10-7 А. Входное сопротивление транзистора превышает 100 Мом.
Транзистор с р-n переходом не используется при Vз ≥ 0. В этом случае р-n переход смещается в прямом направлении и через затвор начинает протекать большой прямой ток. Достоинство полевого транзистора с большим входным сопротивлением теряется.
Полевые МДП транзисторы.
Изготовление МДП транзисторов стало возможно благодаря достижениям технологии. Ученые научились контролировать поверхностный заряд на полупроводнике в результате чего были разработаны две разновидности полевых транзисторов.
МДП транзистор со встроенным каналом. Структура транзистора представлена на рисунке. На Si подложке р-типа диффузией в требуемых местах формируется проводящий канал n-типа. По концам n-канала диффузией выполняются глубокие области n-типа. Они образуют качественные и надежные контакты к каналу и электродам истока и стока. Над каналом на поверхность полупроводника наносят тонкий слой диэлектрика толщиной менее 0,5 мкм. На слое диэлектрика и на концах n-канала формируют металлические электроды истока, затвора и стока. При подаче напряжения на электроды истока и стока по проводящему каналу протекает ток стока Js. Величина тока определяется проводимостью канала. Проводимость канала зависит от напряжения, и естественно, заряда на затворе транзистора. Изменение заряда на затворе приводит к возникновению в проводящем канале явлений обогащения, обеднения или инверсии. То есть в зависимости от заряда на затворе концентрация носителей заряда – электронов – в канале изменяется, изменяется проводимость канала и ток стока Js. Таким образом, ток стока модулируется электрическим полем, приложенным к электроду затвора.
В качестве диэлектрика могут использоваться нитрид кремния Si3N4, оксид кремния SiO2 и т.д. Поэтому по структуре затвора такие транзисторы и получили название МДП транзисторов. Структура затвора: металл – диэлектрик - полупроводник. Если же в качестве диэлектрика используется SiO2, то транзисторы получили обозначение: МОП транзистор - металл, оксид, полупроводник.
В МОП транзисторе ток между стоком и истоком может протекать только через проводящий канал, поскольку в цепи сток – подложка – исток имеются два встречно включенных диода. И какова бы ни была полярность напряжения, приложенного между истоком и стоком, один из диодов всегда окажется включенным в обратном направлении. Поэтому ток в цепи сток – подложка – исток будет ничтожным.
МОП транзистор со встроенным каналом является прибором с нормально открытым каналом. Когда напряжение на затворе Vз = 0, канал открыт. Его сопротивление Rканал определяется собственными параметрами канала: длиной, толщиной, степенью легирования примесью и подвижностью носителей заряда.
Если на затвор подать плюс Vз в канале возникает обогащение основными носителями заряда – электронами. Проводимость канала возрастает, а его сопротивление падает.
При отрицательном напряжении Vз на затворе в канале возникает обеднение, концентрация электронов в канале падает и его сопротивление растет.
При сравнительно больших отрицательных напряжениях на затворе Vо – напряжении отсечки, в канале возникает инверсионный слой. Проводимость слоя под затвором становится р-типа, канал n-типа исчезает. Следовательно, возникают два р-n перехода: истоковый и стоковый и один из р-n переходов обязательно будет заперт. Поэтому сопротивление сток исток достигает очень большой величины. Происходит отсечка тока.
Поэтому МОП транзистор со встроенным каналом работает как при отрицательных, так и положительных напряжениях на затворе.
МДП транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора представлена на рисунке. Отличие от предыдущего транзистора – отсутствие проводящего канала между стоком и истоком. Причина этому два диода, стоковый и истоковый. Они возникают между n-областями стока, истока и подложкой р-типа. Поэтому при любой полярности напряжения Vс один из этих переходов будет заперт. В цепи сток-исток будет протекать ток обратносмещенного р-n перехода. Ясно, что такой транзистор является полевым транзистором с нормально закрытым каналом. При небольшой величине положительного напряжения на затворе, под ним возникает обедненный дырками приповерхностный слой. Это обеднение дырками никакого влияния на ток стока не окажет.
При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе под ним возникает инверсионный слой с проводимостью n-типа, т.е. возникает проводящий канал между стоком и истоком. Через транзистор потечет ток Js. Поэтому такие приборы и называются транзисторами с индуцированным каналом.
Напряжение на затворе, при котором происходит инверсия в поверхностном слое полупроводника под затвором и образуется проводящий канал, называется пороговым напряжением и обозначается Vп. При Vз > Vппроводимость канала увеличивается в силу повышения концентрации электронов в индуцированном канале. Переходная характеристика имеет вид, представленный на рисунке.
Достоинство МОП транзисторов – очень высокое входное сопротивление, поскольку проводящий канал отделен от металлического электрода затвора слоем диэлектрика. Но это же требует аккуратного обращения с транзисторами, поскольку при разности потенциалов между затвором и каналом более 30 В происходит пробой подзатворного диэлектрика.