Устройство и принцип действия МОП-транзистора

Лабораторная работа № 56

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы:

1. Ознакомиться с принципом действия и характеристиками полевых транзисторов.

2. Снять выходные характеристики полевого транзистора.

 

Эффект поля

Цифровая техника (микропроцессоры, память, логика) базируется на двоичной системе единиц. Технической реализацией таких состояний является электронный ключ. Ключ закрыт, есть на нём напряжение – логическая единица; ключ открыт, напряжение на нём отсутствует – логический ноль. Ранее ключи реализовались с помощью реле, электронных ламп, биполярных транзисторов. «Кирпичиком» современной цифровой техники является полевой транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, управление током которого ведется с помощью поперечного электрического поля.

Под эффектом поля понимается изменение проводимости приповерхностного слоя полупроводника в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура), в которой используется высокоомный полупроводник, содержащий низкую концентрацию носителей заряда. Рассмотрим это явление более детально на примере структуры металл-оксид кремния-кремний n -типа (рисунок 1).

При подаче на металлический электрод положительного потенциала (рисунок 1,1) к поверхности полупроводника притягиваются основные носители заряда (для кремния n -типа – электроны) и отталкиваются неосновные носители заряда – дырки. Этот режим называется режимом обогащения. При этом уменьшается продольное сопротивление поверхностного слоя полупроводника.

При подаче на металлический электрод отрицательного потенциала (рисунок 1,2) электроны отталкиваются от поверхности полупроводника, а дырки, наоборот, притягиваются (режим обеднения). При этом продольное сопротивление поверхностного слоя полупроводника возрастает.

При дальнейшем увеличении отрицательного потенциала на металлическом электроде концентрация неосновных носителей заряда (дырок) может превзойти концентрацию основных носителей заряда (электронов). Этот режим называется режимом инверсии (рисунок 1,3). В режиме инверсии у поверхности полупроводника образуется канал проводимости, отделенный от основного слоя полупроводника обедненной областью образовавшегося p-n -перехода. Толщина и удельное сопротивление этого канала будут возрастать с ростом отрицательного потенциала на металлическом электроде.

Все сказанное для полупроводника n -типа справедливо и для полупроводника p -типа с учетом необходимости смены знака потенциала на металлическом электроде и того, что основными носителями заряда в полупроводнике p -типа являются дырки, а неосновными – электроны.

Именно эти явления и лежат в основе работы полевых транзисторов со структурой МДП. Как правило, эти транзисторы изготавливаются на кремнии, и диэлектриком для них служит окисел кремния SiO₂. Поэтому их обычно называют МОП-транзисторы (МОП – металл-окисел-полупроводник). Международный термин – MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).

 

Устройство и принцип действия МОП-транзистора

В кристалле полупроводника с высоким удельным сопротивлением (подложка) созданы две сильно легированные области с противоположным типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями может составлять десятые и сотые доли микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,01 мкм) слоем диэлектрика (обычно - окисел кремния SiO₂, выращенный путем высокотемпературного окисления). На слой диэлектрика нанесен металлический управляющий электрод – затвор. В данной работе рассматриваются полевые транзисторы с индуцированным каналом, образующимся в режиме инверсии. Это означает, что канал проводимости между областями истока и стока в обычном состоянии (напряжение между затвором и истоком равно нулю) отсутствует (рисунок 2).

Транзисторы могут изготавливаться на кремнии как p -типа, так и на кремнии n -типа. Для структур, изготовленных на кремнии p -типа и имеющих n -канал,

для сбора носителей заряда на сток подаётся положительное напряжение относительно истока (рисунок 2,а). Если же структуры изготовлены на кремнии n -типа и имеют p -канал, на сток подаётся отрицательное напряжение относительно истока (рисунок 2,б).

Условные обозначения транзисторов с индуцированным каналом приведены на рисунке 3.

Вольт-амперные характеристики МОП-транзистора с индуцированным n -каналом представлены на рисунке 4. Здесь же показаны явления, происходящие в канале при различных напряжениях на стоке транзистора.

		б))
	а))

В рабочем режиме при протекании по каналу тока напряжение затвора напряжение на затворе для различных участков канала оказывается неодинаковым. Оно изменяется от U_ЗИ вблизи истока до U_ЗИ - U_СИ вблизи стока. Следовательно, толщина канала и его удельная проводимость уменьшаются от истока к стоку. Соответственно уменьшается и общая проводимость канала.

При малых напряжениях U_СИ эти изменения незначительны (рисунок 4, б-1). При напряжении сток-исток U_СИ = U_ЗИ - U_{ЗИ пор} напряжение между затвором и участком канала, примыкающим к стоку, становится равным пороговому напряжению, и инверсная область здесь исчезает. Соответственно, инверсный канал смыкается. В точке смыкания обедненный слой р -слой касается изолирующего подзатворного слоя окисла SiO₂. Это вызывает не прекращение тока, а ограничение его величины (насыщение). Объясняется это тем, что электроны канала, являясь неосновными носителями для обедненного p -слоя, свободно проходят через обратно смещенный n ⁺ p -переход сток-подложка (рисунок 4, б-2). При дальнейшем увеличении напряжения на стоке точка смыкания канала все более отодвигается от стока (рисунок 4,б-3). Ширина же обедненной области пространственного заряда вблизи стока возрастает.