МДП (МОП)-транзисторы

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП-транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП- транзисторы (структура: металл - диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов - МОП-транзисторы (структура: металл - оксид - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10^12....10¹⁴ Ом).

Принцип действия МОП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МОП-транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с индуцированным каналом.

а - со встроенным каналом n-типа; б - со встроенным каналом р-типа; в - со встроенным каналом и выводом от подложки; г - с индуцированным каналом n-типа; д - с индуцированным каналом р-типа; е - с индуцированным каналом и выводом от подложки

Рисунок 2.24 - Условные обозначения МОП-транзисторов

МОП-транзисторы представляют собой четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МОП-транзисторы могут быть с каналом п- типа или р-типа. Условные обозначения МОП-транзисторов показаны на рисунке 2.24, а - е.

Рассмотрим МОП-транзистор со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисунке 2.25, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала п-типа. Слой окисла SiO₂ выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он есть) иногда присоединяют к истоку.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом п-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рисунке 2.25, б.

По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с р-п-переходом. Рассмотрим характеристику при U_зи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток - сток положительным полюсом к стоку. Поскольку U_зи = 0, то через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0 - а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость I_c (U_cи) близка к линейной (см. рисунок 2.25, б). По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит к более существенному влиянию eгo сужения (пунктир на рисунке 2.25, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а - б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II.

а – конструкция; б - семейство стоковых характеристик; в - стоко-затворная характеристика

Рисунок 2.25 - МОП-транзистор со встроенным каналом п-типа

Покажем влияние напряжения затвор - исток на стоковые характеристики. В случае приложения к затвору напряжения (U_зи < 0) поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны - носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и снижению проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U_зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U_зи = 0. Режим работы транзистора (U_зи < 0), при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения (см. рисунок 2.25, в).

При подаче на затвор напряжения U_зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток I_с увеличивается. Стоковые характеристики при U_зи > 0 располагаются выше исходной кривой (U_зи = 0) (см. рисунок 2.25, в).

Для транзистора имеется предел повышения напряжения U₀ ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток - затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины U_си.пр (область III на рисунке 2.25, б). В случае U_зи < 0 напряжение U_сз увеличивается, в связи с чем, при U_зи < 0 пробой наступает при меньшем напряжении U_си.

Примерный вид стоко-затворной характеристики транзистора со встроенным каналом иллюстрируется на рисунке 2.25, в. Ее отличие от стоко-затворной характеристики транзистора с p-n-переходом (см. рисунок 2.22) обусловлено возможностью работы прибора как при U_зи < 0 (режим обеднения), так и при U_зи > 0 (режим обогащения).

Конструкция МОП-транзистора с индуцированным каналом п-типа показана на рисунке 2.26, а. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока.

а – конструкция; б - семейство стоковых характеристик; в - стоко-затворная характеристика

Рисунок 2.26 - МОП- транзистор с индуцированным каналом п- типа

За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области стока и истока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа приведены на рисунке 2.31, б. Они близки по виду к аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости I_c(U_cи). Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U_cи. Ток I_c равен нулю при U_зи = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рисунке 2.26, в.

МОП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с р-п-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление r_i. Что касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МОП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-п-переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 10¹²…10¹⁴ Ом. Значение межэлектродных емкостей составляет: для С_зи, и С_си не более 10 пФ, для С_зс не более 2 пФ. Схема замещения МОП-транзисторов аналогична схеме замещения полевых транзисторов с р-п-переходом (см. рисунок 2.23).

МОП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МОП-транзисторах обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.