МДП-транзистор

МДП-транзистор называют также транзистором с изолированным затвором, так как в отличие от ПТУП затвор от полупроводника изолирован окислом (рис. 4).

с индуцированным каналом со встроенным каналом каналом

к p-канальный n-канальный p-канальный n-канальный

Рис. 4 Условные обозначения МДП-транзисторов

Обычно в качестве диэлектрика используют оксид (оксид кремния SiO₂), поэтому говорят о МОП-транзисторах (со структурой металл-оксид-полупроводник).

МДП-транзистор создан на основе МДП-структуры, в которой использован эффект управления поверхностными свойствами полупроводника за счет изменения потенциала затвора.

Для обеспечения прохождения управляемого тока под затвором создают две дополнительные электродные области: исток и сток. Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла (рис.5).

Рис. 5. МДП-транзистор с встроенным каналом

Проводящий канал расположен между стоком и истоком. Расстояние между областями стока и истока определяет длину канала L.

За сток принимается тот электрод, к которому дрейфуют основные носители канала, т.е. в n-канальном транзисторе сток должен быть под положительным потенциалом относительно истока, а в p-канальном – под отрицательным.

Затвор в МДП-транзисторе изолирован от полупроводниковой подложки тонким слоем диэлектрика.

МДП-транзисторы применяют двух типов: со встроенным и индуцированным каналами. Транзистор со встроенным каналом, имеющим ту же проводимость, что и сток-истоковые области, при нулевом напряжении на затворе открыт. Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод – затвор – напряжения U_з с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для p-канала U_з>0, для n-канала U_з<0. Напряжение затвора U_з указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если у транзистора со встроенным каналом изменить полярность напряжения на затворе, то произойдет обогащение канала дырками и увеличение выходного тока. Таким образом, транзистор со встроенным каналом может работать при напряжениях на затворе обеих полярностей как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом – это нормально открытый прибор.

МДП-транзистор с индуцированным каналом (рис. 4) работают только в режиме обогащения. В отсутствие напряжения управления на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода, и ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в запертом состоянии. Таким образом, МДП-транзистор – это нормально закрытый прибор.

На рис. 6 показана структура, которая используется в МДП-транзисторах с индуцированным n-каналом.

Для того чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n-типа, образующая канал, соединяющий n⁺-области истока и стока, и в стоковой цепи начинает протекать ток.

Принято считать, что транзистор открывается при напряжении затвора, равном пороговому – U_п, при котором на поверхности начинает выполняться условие сильной инверсии. Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и, соответственно, больше проводимость инверсионного слоя.

Рис 6. МДП-транзистор с индуцированным каналом

Пусть U_зи>U_п, т.е. имеется проводящий канал, и на сток относительно истока подано положительное напряжение U_си (рис. 6). Тогда распределение потенциала в канале по оси х становится неравномерным: в точке х=0 (вблизи истока) потенциал определяется только полем затвора и равен U_зи- U_п, а в точке х=L – совместным действием полей затвора и стока и равен U_зи- U_п- U_си. При увеличении напряжения U_си ток стока I_c также будет увеличиваться по линейному закону, так как увеличивается напряженность стока вдоль канала (по оси х). Ток стока вдоль канала – дрейфовый ток электронов.

Одновременно с ростом напряжения U_си и тока стока I_c происходит расширение стокового pn-перехода: на переход подается обратное смещение, и он расширяется в сторону высокоомной подложки. В точке х=L обратноенапряжение на стоковом pn-переходе появляется только при достижении некоторого граничного условия U_{си гр}= U_зи- U_п, то есть при компенсации в этой точке действия поля затвора. При этом дифференциальное сопротивление выходной цепи сток-исток резко увеличивается, так как оно определяется сопротивлениями канала и обратносмещенного стокового pn-перехода. Рост тока стока I_c при U_си >U_{си гр} практически прекращается, а стоковый pn-переход расширяется по оси х в сторону истока, и длина канала уменьшается на Δ L.