Принцип работы МДП-полевых транзисторов. Эффект поля.

В МДП-полевых транзисторах, в отличие с управляющим р-п -переходом, затвор выполнен в виде металлической пленки, изолированный от канала тонким слоем диэлектрика, поэтому иногда эти транзисторы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. На рисунке 9.1, а приведена структура МДП-транзистора с

                              а)                                                      б)        

Рис.9.1. Структура МДП полевого транзистора с каналом п -типа проводимости (а) и р-типа проводимости (б)

 

каналом п -типа проводимости. Транзистор создается на основе слаболегированной кремниевой подложки р -типа. На поверхности подложки создаются две сильнолегированные истоковая и стоковая области п⁺- типа, причем эти области обратимы, т.е. любая из них может использоваться в качестве истока и стока. Расстояние между этими областями, называемое длиной канала L, составляет от десятых долей до нескольких микрометров. На поверхности канала затем методом термического окисления формируется слой двуокиси кремния SiO₂, толщиной порядка 0,1 мкм. На слой диэлектрика SiO₂ и на поверхность истоковой и стоковой областей наносится тонкий слой металлической пленки обычно алюминиевая для формирования омических выводов затвора, истока и стока. Если область канала имеет тип проводимости как и подложка, т.е. он р -типа, то канал при отсутствии напряжения на затворе является непроводящим и ток стока будет отсутствовать. Однако, при некотором положительном напряжении на затворе, называемым пороговым, в канале индуцируется электронная проводимость и канал становится проводящим. Такие транзисторы называются транзисторами с индуцированным каналом. Если же область канала легирован донорами, то он становится проводящим даже при напряжении на затворе равным нулю, то такие транзисторы называются транзисторами со встроенным каналом.

Если в качестве подложки использовать кремний п -типа проводимости, то аналогично можно получить МДП-транзистор с каналом р -типа проводимости (рис.9.1, б)

Как видно из рисунка 9.1, затворы транзисторов имеют МДП-структуру. Принцип работы таких транзисторов основан на явлении эффекта поля, наблюдаемого в МДП-структурах. Явление состоит в изменение проводимости полупроводника в МДП-структурах на границе с диэлектриком в зависимости от величины и полярности приложенного на неё напряжения.

 Рассмотрим более подробно явление эффекта поля в МДП-структуре. Для создания такой структуры с одной стороны полупроводниковой пластины кремния (3) формируется омический контакт (4), а на другой поверхности методом окисления наносится тонкий слой диэлектрической пленки SiO₂(2), на поверхность которой в свою очередь прижимается металлический электрод (1) (рис..8.2).

 

             Рис.9.2. Структура металл-диэлектрик-

                        полупроводник

 

Рассмотрим полупроводник п -типа проводимости. Предположим вначале, что поверхностные состояния в полупроводнике отсутствуют. При приложении к такой структуре внешнего напряжения V_В в слое диэлектрика создается сильное электрическое поле, которое оказывает заметное влияние на зарядовое состояние поверхности полупроводника на границе с диэлектриком. Так, например если к металлическому электроду приложено положительная полярность внешнего напряжения, а к омическому контакту – отрицательная полярность, то электроны из приповерхностной области будут выталкиваться полем в объем полупроводника. Это приводит к обеднению приповерхностной области полупроводника основными носителями – электронами. Такой режим работы МДП-структуры называется режимом обеднения полупроводника основными носителями тока. Поверхность полупроводника при этом заряжается положительно за счет нескомпенсированных ионов донорной примеси и дырками, втянутыми на поверхность внешним полем из объема. Обеднение приповерхностной области приводит к уменьшению поверхностной проводимости полупроводника. С ростом внешнего поля обеднение основными носителями растет, проводимость уменьшается. Однако при некотором внешнем поле число втянутых к поверхности дырок может превышать число электронов – наступает инверсия поверхностной проводимости: проводимость полупроводника п -типа становится проводимостью р -типа. На поверхности полупроводника на границе с диэлектриком возникает инверсионный дырочный слой. Напряжение, при котором происходит инверсия проводимости, называется пороговым напряжением. При дальнейшем росте внешнего поля концентрация дырок у поверхности возрастает, т.е. полупроводник обогащается неосновными носителями заряда, что приводит к росту поверхностной проводимости. Таким образом, поверхностная проводимость в зависимости от величины внешнего поля проходит через минимум. На.рисунке 9.3 приведен график зависимости поверхностной

 

Рис.9.3. Зависимость поверхностной

проводимости полупроводника МДП –структуры от величины внешнего потенциала.

 

 

проводимости  как функция от потенциала , представляющего собой часть внешней разности потенциала, определяющего эффект поля. Минимум кривой, как показывают расчеты, определяется формулой:

,                                          (9.1)

где п _i – собственная концентрация носителей тока. Как видно из (9.1), минимум кривой с ростом степени легирования п_п – смещается влево.

При обратной полярности внешней разности потенциалов поверхность полупроводника под диэлектриком обогащается основными носителями заряда – электронами, которые втягиваются внешним полем из объема к поверхности. Возникает режим обогащения полупроводника основными носителями заряда. В результате поверхностная проводимость будет возрастать. На рисунке 9.3 этому соответствует область кривой при положительных потенциалах .

Для полупроводника р -типа проводимости характер зависимости сохраняется, однако меняется полярность потенциала и минимум кривой с ростом легирования смещается вправо.

При наличии поверхностных состояний эффект поля ослабляется. Это объясняется тем, что заряд на поверхностных состояниях экранирует внешнее электрическое поле и оно проникает в полупроводник на меньшую глубину. С ростом концентрации поверхностных состояний изменение поверхностной проводимости в эффекте поля уменьшается.

9.2. МДП-полевой транзистор с индуцированным каналом п -типа.

Приведенная на рисунке 9.1 структура МДП-полевого транзистора соответствует транзистору с индуцированным каналом. Между стоком и затвором канал в этом транзисторе отсутствует. Поэтому, если даже приложит между стоком и затвором напряжение V_СИ > 0 (рис. 9.4, а), то при V_ЗИ = 0 ток стока будет практически

                  а)                                                           б)   

 

Рис. 9.4. Структура МДП транзисторов с индуцированными каналами п -типа (а) и р-типа (б) и их электрическая схема включения.

отсутствовать, так как на пути тока у стоковой области создается обратно включенный р-п переход. Если теперь приложить напряжение V_ЗИ > 0, то под действием электрического поля затвора к приповерхностной области полупроводника под диэлектриком затвора начинают втягиваться из глубины полупроводника неосновные носители заряда – электроны. С ростом напряжения V_ЗИ при его значении V_ЗИ = V_ЗИпор происходит инверсия проводимости: в приповерхностной области затвора проводимость полупроводника из р -типа становится п -типа проводимости. Таким образом, между стоком и истоком индуцируется канал (на рисунке 9.4 граница индуцированного канала с подложкой обозначен штриховой линией) и в цепи стока потечет ток истока I_C, обусловленный дрейфовым движением электронов от истока к стоку.

Из общих рассуждений следует, что ток стока зависит как от напряжения на затворе V_ЗИ, так и от напряжения на стоке V_СИ. Отсюда следует, что работа этого транзистора как и транзистора с управляющим р-п переходом, будет описываться двумя семействами характеристик: стоко-затворной  при и выходной  при .

На рисунке 9.5, а представлены стоко-затворные (передаточные) и на рисунке 9.5, б – выходные вольтамперные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом п -типа. Как видно из рисунка 9.5, а при V_ЗИ > V_ЗИпор ток стока растет, что обусловлен обогащением канала транзистора с ростом V_ЗИ неосновными носителями тока и увеличением его проводимости. Рост напряжения V_СИ смещает характеристику вправо в сторону увеличения тока стока.

Выходные характеристики (рис. 9.5, б) аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. При малых напряжениях V_СИ ток стока практически линейно растет с ростом V_СИ - имеем омический участок. Однако при некотором V_СИ = V_СИгр  наступает участок насыщения тока стока. Как и в случае полевых транзисторов с управляющим р-п переходом,

                       а)                                                               б)

Рис.9.5. Статические стоко-затворные (а) и выходные (стоковые) (б) характеристики МДП полевого транзистора с индуцированным каналом п -типа.

 

насыщение тока стока обусловлено сужением и дальнейшим перекрытием канала в стоковом конце за счет расширения р-п перехода в область канала. Действительно, за счет протекания тока стока вдоль канала создается распределенное падение напряжения V(x), которое максимально в стоковом конце и равно V_СИ. Это напряжение, суммируясь с напряжением V_ЗИ, смещает р-п переход в обратном направлении, что и сужает ширину канала. Механизм протекания тока стока через перекрытый канал в стоковом конце практически такой же, как и в полевых транзисторов с управляющим р-п переходом (см.раздел 8.2).

       В случае МДП-транзистора с индуцированным каналом р -типа (рис. 9.4, б) имеем аналогичные физические процессы и статические вольтамперные характеристики, только меняются термины электроны на дырки и наоборот, а также меняются полярности приложенных напряжений на электродах и направление тока стока.