Глава 13. Униполярные полупроводниковые приборы

13.1. Классификация и основные особенности

Полевые приборы относятся к приборам униполярного типа, принцип

действия которых основан на управлении дрейфом только основных носителей заряда одного знака. Это обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией.

Полевые приборы в схеме выполняют те же функции, что и биполярные приборы, и могут работать в усилительном или ключевом режиме. Главная особенность полевых приборов состоит в том, что их цепь управления изолирована от выходной цепи диэлектриком или обратносмещенным п- р переходом. Фактически цепь управления полевого прибора представляет собой конденсатор, заряд на обкладках которого изменяется под действием управляющего поля (напряжения). Изменение заряда обкладки приводит к изменению сопротивления канала и соответственно выходной мощности. Поэтому особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 109 – 1010 Ом. Поэтому на их основе можно создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме, что особенно

существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Таким образом, и полевые, и биполярные приборы управляются зарядом, но передача управляющего заряда осуществляется по-разному: напряжением (через емкость) в полевых и током (через сопротивление) в биполярных транзисторах. Управление непосредственно электрическим

полем определяет основные особенности эксплуатации полевых полупроводниковых приборов.

Втехнической литературе рассматриваемый тип приборов определяют тремя терминами:

∙на основе принципа управления такие приборы обычно называют

полевыми приборами;

∙вследствие того, что перенос тока в них обеспечивается одним типом носителей заряда, распространено другое название − униполярные приборы;

∙выходные параметры таких приборов в основном определяются свойствами канала, и можно встретить термин «канальные приборы».

Вклассе полевых транзисторов различают транзисторы со структурой металл−диэлектрик−полупроводник (МДП или транзисторы с изолированным затвором) и транзисторы с управляющим n-р переходом.

218

13.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Внутренняя структура МДП-транзистора представлена на рис. 13.1. МДП-транзистор создается в кристалле полупроводника с относительно высоким значением удельного сопротивления, который называется подложкой. Транзистор имеет три основных электрода: управляющий электрод − затвор и выходные электроды − сток и исток. Возможен также четвертый электрод, который соединяется с пластиной исходного полупроводника − подложкой.

Область транзистора, проводимость которой изменяется под действием управляющего напряжения, называется каналом. Проводящий канал в МДП-

транзисторах расположен между стоком и истоком и имеет повышенную концентрацию носителей заряда по отношению к исходному полупроводнику

– подложке. Проводимость канала изменяется с помощью цепи управления либо за счет изменения концентрации носителей заряда канала, либо за счет изменения его геометрических размеров. Область, через которую осуществляется ввод носителей заряда в канал, называется истоком, а область, через которую носители выходят из канала − стоком транзистора.

Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла.

Электрод полевого транзистора, на который подается управляющий сигнал, называется затвором. В МДП-транзисторах управляющая цепь затвора отделена от области канала тонким слоем диэлектрика. Обычно в качестве диэлектрика используют оксид (диоксид кремния SiO2) и говорят о МОП-транзисторах (со структурой металл−оксид−полупроводник).

В основе работы МДП транзистора лежит эффект управления поверхностной проводимостью и поверхностным током с помощью

219

электрического поля затвора, отделяемого от полупроводника слоем диэлектрика. Энергетическая структура системы металл-диэлектрик- полупроводник показана на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Энергетическая зонная диаграмма МДП структуры в режиме обогащения (а) и в режиме инверсии проводимости поверхности (б)

При приложении к металлу положительного напряжения приповерхностный слой полупроводника n-типа обогащается электронами и происходит искривление энергетических зон (рис. 13.2, а). При смене полярности внешнего напряжения (рис. 13.2, б) в полупроводнике у поверхности индуцируется положительный заряд, образуемый в результате оттеснения электронов. Энергетические зоны при этом изгибаются вверх, и

при определенном потенциале уровень Ферми у поверхности может оказаться ниже середины запрещенной зоны. В этом случае у поверхности концентрация дырок будет превышать концентрацию электронов, т.е. произойдет инверсия проводимости, соответствующая возникновению приповерхностного канала р-типа в n-полупроводнике. Таким образом, в

зависимости от знака и величины внешнего напряжения поверхностная проводимость может уменьшаться, увеличиваться и менять знак носителей заряда.

Различают МДП-транзисторы двух типов: со встроенным и индуцированным каналом. В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при напряжении на затворе, равном нулю, канал отсутствует, так как между истоком и стоком оказываются два встречно включенных n-p перехода, образованных контактом областей стока или истока и исходной подложкой. В этом случае ток в цепи стока равен обратному току одного из переходов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в закрытом состоянии. Для того чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. В этом случае полярность

напряжения на затворе должна совпадать со знаком основных носителей в объеме полупроводниковой подложки. В результате на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, и под

220

затвором формируется область другого типа проводимости по отношению к базовому кристаллу, образующая канал, соединяющий области истока и стока. В стоковой цепи начинает протекать ток, и транзистор переходит в открытое состояние. Напряжение затвора, при котором происходит инверсия проводимости подзатворной области, называют пороговым (Uпор). Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и соответственно больше проводимость индуцированного канала.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности

полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе существует инверсный слой − канал, соединяющий области стока и истока. Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на затвор напряжения Uзи с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для р-канала Uзи > 0, для n-канала Uзи < 0. Напряжение затвора указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если изменить полярность напряжения на затворе, то произойдет обогащение канала носителями и, соответственно, увеличение выходного тока.

Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только

вpeжиме обогащения.

13.3.Статические характеристики МДП-транзистора

Рис. 13.3. Сток-затворные ВАХ МДП транзистора со встроенным (а) и индуцированным (б) каналом

Для характеристики соотношений между напряжениями и токами в МДП-транзисторах используются два вида ВАХ: передаточные (проходные или сток-затворные) (рис. 13.3) и выходные (сток-истоковые) (рис. 13.4).

ВАХ транзистора со встроенным каналом качественно не отличаются от предыдущих (рис. 13.4). В этом случае сток–затворные ВАХ выходят из точки на оси напряжений, соответствующей напряжению отсечки канала.

221