ПТ с изолированным затвором

В настоящее время они находят наибольшее применение, прежде всего в кремниевых ИМС, особенно в сверхбольших: микропроцессорах, ЗУ большой информационной емкости и др.

Полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), или по другому металл-оксид-полупроводник (МОП), сильно отличаются от рассмотренных (с управляющим p-n переходом) как по принципу действия, так и по технологии изготовления.

 

В отличие от ПТ с управляющим p-n переходом в МДП-транзисторах ме­таллический электрод затвора изолирован от полупроводниковой области кана­ла слоем диэлектрика.

Структура металл-диэлектрик-полупроводник и опреде­ляет название данного типа транзисторов.

В качестве диэлектрика часто ис­пользуются окислы (SiO₂), поэтому их и называют МОП-транзисторами.

 

МДП-транзисторы конструктивно выполняются двух видов: с индуцированным и встроенным каналом.

 

Принцип действия транзисторов с индуцированными и встроенными каналами n- и р-типа одинаковы.

Конструкция транзистора с индуцированным каналом

 

Это полупроводник (например кремний) р-типа, в имеющий две области n-типа - сток и исток, на полупроводник нанесён тонкий слой диэлектрика (чаще других выращивается двуокиси кремния на кремнии). Толщина диэлектрика должна быть очень малой, толщина диэлектрика лежит в пределах 0,05...0,3 мкм.

Расстояние между истоком и стоком - мкм и менее.

Сверху на диэлектрике нанесён слой металла. Между металлом и полупроводником прикладывается электрическое поле от внешнего источника.

 

Конструкция транзистора со встроенным каналом

 

Структура аналогична, но перед тем, как делать подзатворный диэлектрик, проводится ещё одна диффузия доноров для n-канальных транзисторов или акцепторов для р-канальных транзисторов, чтобы создать встроенный канал.

 

Расстояние между истоком и стоком - мкм и менее.

На этом участке расположена узкая слаболегированная полоска кремния (n-типа) - канал.

Электрод затвора перекрывает подложку между об­ластями. Он изолирован от подложки также тонким слоем диэлектрика (0,05 -0,3мкм), также пленка двуокиси кремния.

 

В случае тонкого диэлектрика электрическое поле легко проникает в полупроводник.

 

Рис.10.3 МДП-транзисторы с индуцированным и с встроенным каналом

 

 

Принцип работы МОП транзистора с индуцированным каналом

 

Если подать напряжение между стоком и истоком, то ничего не произойдёт: ток не появится, так как при любом знаке напряжения хоть один из р-п переходов смещён в обратном направлении (это как в биполярном транзисторе при очень толстой базе – два р-n перехода отдельно).

 

В случае, когда к металлу относительно полупроводника приложено положительное напряжение, дырок у поверхности стало меньше, чем в глубине, а электронов – больше. Но пока концентрация дырок у поверхности больше, чем концентрация электронов.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения больше некоторого, так называемого порогового (U_П), электронов у поверхности становится больше, чем дырок.

Полупроводник разделился на две области: в глубине это по-прежнему р-тип, а вблизи поверхности – n-тип (произошла инверсия типа электропроводности).

Вблизи поверхности появится наведённый (индуцированный) слой n-типа. Этот слой соединит две исходные области n-типа, и между стоком и истоком появится ток. Образовался канал n-типа.

 

Если приложено отрицательное по отношению к полупроводнику напряжение то оно притягивает к поверхности полупроводника дырки, а электроны отталкивает - дырок у поверхности станет ещё больше, чем было в исходном полупроводнике.

 

Принцип работы МОП транзистора с встроенным каналом:

 

Теперь у транзистора есть ток даже при нулевом напряжении на затворе, и есть возможность управлять им.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного к за­твору (относительно истока), канал может обедняться или обогащаться носи­телями заряда (электронами).

При отрицательном напряжении на затворе электроны проводимости выталки­ваются из области канала в объем полупроводника подложки. При этом канал обедняется носителями заряда, что ведет к уменьшению тока в канале.

При U_3И < 0 и других значений напряжений U_3И <U_ПOP канал между стоком и исто­ком отсутствует, в цепи стока течет пренебрежительно малый ток стокового перехода.

Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов проводимости из подложки в канал. В этом режиме, а это ре­жим обогащения, ток канала возрастает.

Таким образом, в отличие от ПТ с p-n переходами транзистор с изолированным затвором может работать с нулевым, отрицательным или положительным на­пряжением на затворе.

 

В рассмотренных случаях мы рассматривали структуры с р-подложкой. Можно использовать n-подложку.

Все рассуждения для неё будут те же, но на затвор надо подавать отрицательное напряжение, и канал будет р-типа.