Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы10
.docxЛекция 10. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
Содержание:
-
Устройство полевых транзисторов со встроенным и индуцированным каналами.
-
Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом и его статические характеристики.
-
Статические характеристики ПТ с индуцированным каналом.
-
Комплементарные МДП-транзисторы.
Устройство полевых транзисторов со встроенным и индуцированным каналами. МДП-транзистор – это разновидность полевого транзистора, у которого металлический затвор изолирован от полупроводника тонким слоем диэлектрика. Поперечное электрическое поле создается с помощью металлического затвора и влияет на подзатворный слой полупроводника (рис. 10-1).
Существует два типа МДП-транзисторов – со встроенным (рис. 10-1 а) и индуцированным (рис. 10-1 б) каналами. В транзисторе со встроенным каналом в подложке р-типа создается канал n-типа, соединяющий две области n+-типа, являющиеся контактами к концам канала и называемые истоком и стоком. В транзисторах с индуцированным каналом при нулевом потенциале на затворе канал отсутствует; он появляется только при некотором положительном потенциале на затворе (относительно подложки) за счет инверсии типа проводимости полупроводника под действием электрического поля затвора. МДП-транзисторы чаще всего изготавливаются на основе кремния, а диэлектриком служит SiO2 (МОП-транзисторы).
Вследствие малой толщины слоя диэлектрика (десятые доли мкм) сравнительно небольшие напряжения на затворе создают в подзатворном слое полупроводника достаточно сильное электрическое поле, способное изменять проводимость канала.
Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом и его статические характеристики. МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как при положительной, так и при отрицательной полярности напряжения на затворе. При положительном напряжении область канала обогащается электронами, и его сопротивление уменьшается, а при отрицательном происходит обеднение канала. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым Uпор (или напряжением отсечки Uотс), за счет эффекта поля происходит инверсия типа проводимости канала (с n на р), и канал исчезает. При этом ток между истоком и стоком протекать не может.
Если подложку соединить с истоком, на затворе поддерживать постоянный потенциал Uз > Uпор и увеличивать напряжение Ucи, то канал будет сужаться около стока (рис. 10-2 а). В результате рост тока стока замедляется, а при Ucи = Uз - Uпор ток стока достигает насыщения. При дальнейшем росте Ucи ток стока медленно растет из-за уменьшения длины канала (рис. 10-2 б).
Стоковые выходные характеристики МДП транзистора со встроенным каналом аналогичны выходным ВАХ ПТ с управляющим р-n переходом, но имеют смысл как в режиме обеднения (Uзи < 0), так и в режиме обогащения (Uзи > 0). Семейство выходных ВАХ изображено на рис. 10-3 а).
Если Ucи имеет такое значение, что транзистор попадает в пологую область выходных ВАХ, то стоко-затворные ВАХ при различных напряжениях Ucи практически сливаются и хорошо аппроксимируются параболой:
.
В отличие от ПТ с управляющим р-n переходом МДП транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения Uзи < 0, так и в режиме обогащения Uзи > 0.
Статические характеристики ПТ с индуцированным каналом. В ПТ с индуцированным каналом сам канал образуется за счет действия напряжения, приложенного к затвору Uзи , когда Uзи достигает порогового напряжения Uпор . В отличие от МДП транзистора со встроенным каналом, транзистор с индуцированным каналом проводит ток только в режиме обогащения (при Uзи > Uпор ), т.е. является нормально закрытым прибором. Выходные и стоко-затворные ВАХ приведены на рис. 10-4.
В общем случае подложка не соединена с истоком (например, в интегральных схемах, у которых подложка общая для всех транзисторов). Тогда на ток стока влияет не только напряжение Uзи , но и напряжение между истоком и подложкой Uпи. В дискретных МДП транзисторах подложка чаще всего соединена с истоком внутри прибора.
Стоко-затворные ВАХ аппроксимируются формулой
,
где b – удельная крутизна (величина b численно равна крутизне при Uзи - Uпор = 1 В).
Смысл названия b становится понятным, если вычислить крутизну
.
При Uзи - Uпор = 1 В получаем S = b.
Комплементарные МДП-транзисторы. Комплементарные МДП-транзисторы (КМДП) представляют собой совокупность двух МДП-транзисторов с каналами разного типа проводимости (с n- и р-каналами), но практически одинаковыми параметрами (рис. 10-5). Такая комплементарная пара имеет общие затворы и общие стоки. Комплементарные КМОП пары нашли широкое применение в цифровых микросхемах в качестве инверторов. Особенностью динамики переключения КМОП пары является практически полная симметричность процессов заряда и разряда емкости нагрузки. Поэтому длительности отрицательного и положительного фронтов импульсов выходного напряжения почти одинаковы. Комплементарная пара в ключевом режиме имеет большее быстродействие, чем одиночный МДП транзистор.
Технология КМОП широко используется при изготовлении процессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти и т.п.
Условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 10-6.