Стоко-затворная характеристика

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывает зависимость тока стока от напряжения "затвор – исток" I _с(U _зи)| _{U си =const} при фиксированном напряжении "сток – исток". Примерный вид нескольких характеристик из серии I _с(U _зи)| _{U си} показан на рис. 5.3, б.

Еще раз подчеркнем, что в режимах, когда U _зи > 0 (на затворе ²+²) данный транзистор не может работать. Поэтому, при фиксированном напряжении на стоке, например, U _си = 10 В, можно, изменяя U _зи, управлять величиной тока стока от максимального значения тока I _{с max} (при U _зи = 0) вплоть до I _с = 0 (при U _зи = U _зи.отс < 0). Напряжение U _зи, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки U _зи.отс.

Важным параметром полевого транзистора, определяемым по стоко-затворной характеристике, является крутизна характеристики S:

S = dI _c/ dU _зи| _{U си=const}, мА/В, (5.1)

которая отражает связь выходного тока I _с полевого транзистора с входным напряжением U _зи; обычно значение S определяется при U _си = 0. Крутизна характеристики S – это параметр, характеризующий чувствительность ПТУП, подобный коэффициентам b или a - параметрам биполярных транзисторов.

К другим основным параметрам полевого транзистора относятся:

- внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора, равное

r_i = dU _cи/ dI _c| _{U зи=const}, (5.2)

как и выходное сопротивление биполярного транзистора, характеризует наклон стоковой (выходной) характеристики на участке II (рис. 5.3, а);

- входное сопротивление, равное

r _вх = dU _зи/ dI _з, (5.3)

определяется сопротивлением одного или двух p-n -переходов, смещенных в обратном направлении.

Именно поэтому величина входного сопротивления (по постоянному току) подобных полевых транзисторов составляет 10⁸… 10⁹ Ом. Именно поэтому говорится, что затвор (контакт З и одноименная р -область под контактом) электрически (гальванически) отделен от канала.

Вследствие этого входной ток через контакт затвора I _з в статическом режиме можно считать равным нулю.

Таким образом, следует учитывать, что при подаче на затвор управляющих напряжений U _зи, обеспечивающих обратное включение p-n -перехода ²затвор-канал², входное сопротивление транзистора, как прибора, весьма высоко, а входной ток – ничтожно мал. Поэтому говорится, что в отличие от биполярного транзистора, который управляется током, полевой транзистор управляется не током, а напряжением (или электрическим полем);

– максимально допустимый ток стока I _cmax;

– максимально допустимое напряжение стока U _сиmax;

- напряжение отсечки U _зи.отс;

– межэлектродные емкости "затвор – исток" С _зи, "затвор – сток" С _зс и "сток – исток" С _си.

Еще раз подчеркнем, что в отличие от модели, представленной на рис. 5.2, реальный ПТУП имеет, как правило, планарную структуру, аналогичную представленной на рис. 5.1, г.

Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ)

Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ, MOSFET) - это разновидность полевого транзистора, затвор которого отделен от канала слоем высокоомного диэлектрика. Именно поэтому подобные транзисторы иногда называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Наличие диэлектрика обеспечивает очень высокое входное сопротивление ПТИЗ (10¹²…10¹⁴ Ом). Поскольку затвор гальванически отделен от канала, и входной ток (ток через контакт затвора) практически отсутствует, то говорится, что ПТИЗ, также как и ПТУП, управляется не током, а напряжением.

Структура ПТИЗ

В отличие от полевых транзисторов с p-n -переходом, рассмотренных выше, так называемые МДП-транзисторы (ПТИЗ, MOSFET) характеризуются структурой типа "металл – диэлектрик – полупроводник". В подобных структурах металлический контакт затвора З нанесен (методами фотолитографии) на слой диэлектрика, т.е. затвор электрически изолирован от области (объема) токопроводящего канала. В качестве диэлектрика наиболее часто используют окисел кремния SiO ₂. Поэтому существует другое название подобных структур - МОП-транзисторы (структура "металл – окисел – полупроводник").

В подобных ПТИЗ токопроводящий канал формируется непосредственно под слоем диэлектрика, т.е. он локализован в тонком приповерхностном слое полупроводника (образуется планарная структура).

В зависимости от того, как образуется проводящий канал, МДП-транзисторы выпускают двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Встроенный канал

Встроенный канал (рис. 5.4, а) формируется в процессе реализации метода фотолитографии, так что под слоем диэлектрика изначально имеется проводящий канал (длиной d), простирающийся от контакта истока к контакту стока. Другими словами, при наличии канала достаточно приложить напряжение U _си необходимой полярности, чтобы носители заряда начали перемещаться от истока И к стоку С под действием возникающего электрического поля.

Планарная (поверхностная) конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа представлена на рис. 5.4, а. В исходной пластине (подложке) кремния р -типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока И, стока С и канала, например, n -типа. Слой окисла SiO ₂ выполняет функцию диэлектрического слоя, отделяющего металлический контакт затвора З от проводящего канала, а также служит для диэлектрической защиты (от внешней среды) поверхности, примыкающей к контактам истока И и стока С. Вывод подложки П обычно заземлен и может быть гальванически соединен (проводом) с истоком.

а) б) в)

Рис. 5.4. Конструкция планарного МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а), семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

Поскольку концентрация доноров N _Д во встроенном канале меньше, чем концентрация N _A акцепторов в подложке, поэтому канал имеет большее электрическое сопротивление, чем подложка. Обратим внимание, что n -канал отделен от подложки протяженным (от истока к стоку) изолирующим слоем p-n- перехода. Из-за разницы концентраций доноров и акцепторов данный р-n- переход локализован, как и в ранее рассмотренных структурах, главным образом, в области канала.

Индуцированный канал

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа показана на рис. 5.5, а. Канал проводимости, обеспечивающий протекание тока за счет движения носителей заряда от истока к стоку, в данной структуре изначально (на заводе) не создается. В связи с этим, обратим внимание, что области истока и стока отделены от подложки p -типа и друг от друга изолирующим слоем p-n- переходов. Другими словами, исток и сток гальванически сейчас не связаны. Очевидно, что приложение напряжения между контактами стока С и истока И не вызовет появления тока стока ввиду отсутствия канала проводимости.

а) б) в)

Рис. 5.5. Конструкция планарного МOП-транзистора с индуцированным n -каналом (а),
семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

Для того, чтобы электроны имели возможность переходить от истока к стоку, необходимо искусственно создать (индуцировать) канал длиной d c проводимостью n -типа, в котором электроны являются основными носителями. Эта возможность может быть реализована за счет так называемого эффекта поля, который заключается в следующем.

Подадим положительный потенциал j_з на металлический контакт затвора З, так что нем появится положительный заряд.

Вспомним, что в подложке р -типа имеются основные носители – дырки, а также – неосновные носители – электроны.

Электрическое поле положительного заряда затвора засчет явленияэлектростатической индукции (через слой диэлектрика) силами кулоновского взаимодействия подтягивает электроны из объема подложки под слой окисла, отделяющий металлический контакт З от полупроводника. Заметим, что это же поле отталкивает из-под слоя окисла дырки, заставляя их дрейфовать вглубь р -подложки.

Если подтянувшихся к поверхности электронов будет достаточное количество, то приповерхностный слой полупроводника (под диэлектриком) не только обогатится электронами, но даже изменит тип проводимости: под пленкой окисла образуется канал n -типа, как проводник, который соединит исток и сток, аналогично транзистору ПТИЗ со встроенным каналом.

Другими словами, n -канал образуется (индуцируется) при определенном ²+² потенциале затвора благодаря притягиванию электронов из полупроводниковой подложки р -типа. За счет подтягивания электронов под слоем окисла (под контактом затвора) в приповерхностном слое полупроводника происходит изменение знака проводимости этого приповерхностного слоя. Таким образом, индуцируется токопроводящий канал n -типа длиной d.

Проводимость образовавшегося канала n -типа возрастает по мере повышения приложенного к затвору напряжения положительной полярности, т.к. все больше и больше электронов подтягивается² под слой диэлектрика.

Заметим, что входной ток от затвора в транзистор (через слой окисла) отсутствует, т.к. диэлектрик SiO ₂ имеет очень большое сопротивление.

Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения канала электронами, после того, как потенциалом затвора формируется канал соответствующего типа проводимости. Напряжение затвора U _зи.пор, при котором образуется канал необходимого типа, называется пороговым (рис. 5.5, в).

После того, как канал образовался, работу транзистора и его ВАХ следует анализировать так же, как и транзистор со встроенным каналом.

Условные обозначения МДП-транзисторов указаны на рис. 5.6.

Рис. 5.6. УГО МДП-транзисторов со встроенным каналом n -типа (а) и выводом
от подложки (в); со встроенным каналом p -типа (б) и выводом от подложки (г);
с индуцированным каналом n -типа (д) и выводом от подложки (ж); с индуцированным
каналом p- типа (е) и выводом от подложки (з)

МДП-транзисторы могут быть изготовлены с каналом n - или р -типа.

МДП-транзистор (МОП-транзистор) представляет собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (кроме И, З, С) является вывод от подложки П (исходной полупроводниковой пластины), выполняющий вспомогательную функцию, например, заземления.