3.3.2. Полевые транзисторы мдп-типа

МДП-транзисторы могут быть двух типов: МДП-транзисторы со встроенным каналом и МДП-транзисторы с индуцируемым каналом. Принцип их действия основан на эффекте поля, который был рассмотрен в лекции № 7.

3.3.2.1. МДП-транзистор со встроенным каналом

Структура такого транзистора представлена на рис. 3.11. Как видно из рисунка, на подложке р-типа образуются две области n-типа, соединенные между собой тонким приповерхностным слоем также n-типа. Две области представляют собой исток и сток, а приповерхностный слой – канал. Над каналом расположена металлическая пленка – затвор, которая отделена от канала пленкой диэлектрика. Таким образом, получается структура металл-диэлектрик-полу-проводник. Эта структура и дала название транзистору МДП-транзистор. Так как в качестве диэлектрика в интегральной технологии применяется окисел кремния SiO₂, то второе название транзистора – МОП-транзистор. Если в качестве подложки использовать кремний n-типа, то исток, сток и канал должны быть р-типа, в остальном структура и принцип работы ВАХ транзистора такие же, как и у транзистора с р-подложкой. При напряжении сток-исток, неравном нулю, через канал будет протекать ток, определяемый величиной напряжения и сопротивлением канала. Если теперь приложить отрицательное напряжение к затвору относительно истока, то за счет эффекта поля электроны будут выталкиваться из канала (или дырки подтягиваться к каналу) и канал обедняется основными носителями, сопротивление его возрастает, а ток стока уменьшается. Такой режим работы носит название режима обеднения. Если к затвору приложить положительный потенциал относительно затвора, то электроны из подложки будут подтягиваться в канал, канал обогащается основными носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока возрастает. Такой режим работы носит названия режима обогащения. Характеристика изменения тока стока при изменении напряжения затвор-исток, показанная на рис. 3.11 носит название сток-затворной ВАХ МДП-транзистора. Выходные вольтамперные характеристики показаны на рис. 3.12. Участок насыщения на этих ВАХ объясняется теми же причинами, что и у полевого транзистора с управляемым p-n-переходом.

3.3.2.2. МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Структура такого транзистора аналогичная структуре МДП с встроенным каналом, но при U_з-и = 0 канал отсутствует (рис. 3.13). Поэтому ток по цепи сток-исток протекает очень маленький (10^–8–10^–9 А), его можно принять равным нулю. При увеличении напряжения затвор-исток за счет эффекта поля электроны из подложки будут подтягиваться к поверхности подложки под затвором. При некотором напряжении, которое носит название напряжения возбуждения канала, образуется поверхностный инверсный слой n, т.е. исток и сток соединяются каналом n-типа, замыкая цепь сток-исток и по этой цепи потечет ток.

Зависимость тока стока от напряжения на затворе (сток-затворная ВАХ) представлена на рис. 3.14. На рис. 3.14 напряжение U₀ носит название напряжения возбужденного канала и численно равно 2,5–3 В. Выходные характеристики внешне выглядят также, как и у МДП с встроенным каналом, однако при U_з-и = 0 ток практически равен нулю (рис. 3.15). Следовательно, такой транзистор работает только в режиме «обогащения».

Параметры МДП-транзисторов такие же, как и у полевого транзистора с управляемым p-n-переходом – это крутизна характеристики s, дифференциальное сопротивление стока r_c, статический коэффициент усиления напряжения . Схема замещения представлена на рис. 3.16.

В этой схеме принято, что крутизна подложки – величина очень маленькая. Усилительные свойства транзистора учитываются только генератором тока . Сопротивления R_з-с и R_з-и – это сопротивления диэлектрика SiO₂, отделяющего затвор от канала, величина очень большая (10¹⁴ Ом и более). Сопротивления r_с, r_п-с и r_п-и – соответственно дифференциальные сопротивления стока и p-n-переходов, подложка-сток, подложка-исток для обратной полярности. Емкости С_п-с и С_п-и – паразитные барьерные емкости p-n-переходов, а С_з-с и С_з-и – емкости перекрытия затвором стоковой и истоковой областей. Емкость затвор-канал (С_з) в схеме замещения не показана, т.к. ее влияние на инерционность транзистора отражается в параметре крутизны. В операторной форме это записывается так

,

где .

Емкость затвора зависит от его площади (zL), а R₀ – сопротивление канала прямо пропорционально длине канала и обратно пропорционально подвижности. Таким образом, как видно из схемы замещения, инерционность МДП-транзистора определяется паразитными и межэлектродными емкостями и постоянной времени крутизны, однако, в первую очередь, паразитными и межэлектродными емкостями. Поэтому часто в схемах включения исток и подложка закорачиваются, что позволяет исключить емкость С_и-п.