Полевые транзисторы с изолированным затвором

7.2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл — диэлектрик — полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл — оксид — полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiО2. На рис. 7.13 показаны принцип устройства полевого транзистора с изолированным затвором и его условное графическое обозначение. Основанием служит кремниевая пластинка с электропроводностью типа р. В ней созданы две области с электропроводностью n типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы микрометров, а его ширина — сотни микрометров и более, в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя диоксида кремния (показан штриховкой) 0,1 —0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл МДП-транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой — так же, как и потенциал истока. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Прибор с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом, и работает он следующим образом. Рис. 7.13. Принцип устройства МДП-транзистора с собственным каналом п-типа (а) и условное графическое обозначение МДП-транзисторов с каналами n-типа (б) и р-типа (в) Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из р—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения. Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения. Рассмотренный транзистор с собственным каналом, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это наглядно показывают его выходные (стоковые) характеристики, изображенные на рис. 7.14, и характеристика управления на рис. 7.15. Как видно, выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим п— р переходом. Это объясняется тем, что при возрастании напряжения ис_и от нуля сначала действует закон Ома и ток растет приблизительно пропорционально напряжению, а затем, при некотором напряжении ис_и, канал начинает сужаться, особенно около стока. Так как на n— р-переходе между каналом и кристаллом возрастает обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. Таким образом, ток стока испытывает два взаимно противоположных влияния: от увеличения Uс-и ток должен возрастать по закону Ома, но от увеличения сопротивления канала ток уменьшается. В результате ток остается почти постоянным до такого напряжения Uc-и, при котором наступает электрический пробой на кристалл. Рис. 7.14. Выходные характеристики МДП-транзистора с собственным каналом n-типа Рис. 7.15. Характеристика управления МДП-транзистора с собственным каналом n-типа Рис. 7.16. Принцип устройства и условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом n-типа В том случае, если кристалл имеет электропроводность п-типа, канал должен быть р-типа и полярность напряжений надо изменить на противоположную. Транзистор со встроенным каналом р-типа на схемах изображают так, как показано на рис. 7.13, в. Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 7.16). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n+-типа расположен только кристалл р-типа и на одном из р—n+-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т. е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей истока и стока и из р-области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение (единицы вольт), то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т. е, образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения, что видно из его выходных характеристик (рис. 7.17) и характеристики управления (рис. 7.18). Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал р-типа. Параметры МДП-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с n—р-переходом. Коэффициент усиления каскада с МДП-транзистором вычисляется по формуле (7.6). Графоаналитический расчет усиления для каскадов с полевыми транзисторами делают с помощью семейства выходных характеристик аналогично тому, как это было рассмотрено для биполярных транзисторов. Проводят линию нагрузки, на которую наносят рабочую точку, определенную постоянным напряжением затвора, и отмечают рабочий участок, соответствующий заданному входному напряжению. После этого определяют постоянный и переменный ток стока, постоянное и переменное напряжение в цепи стока, мощность и КПД (для маломощных каскадов мощность и КПД несущественны). Рис. 7.17. Выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом n-типа Рис. 7.18. Характеристика управления транзистора с индуцированным каналом n-типа Транзисторы с изолированным затвором имеют преимущества в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств, отмеченных для полевых транзисторов с n—р-переходом, и, кроме того, обладают еще рядом достоинств. Сопротивление изоляции затвора у них представляет собой входное сопротивление постоянному току на низких частотах и достигает 1012 — 1015 Ом. Важно, что входное сопротивление остается большим при любой полярности напряжения затвора (у полевых транзисторов с р—n-переходом при прямом напряжении на затворе входное сопротивление становится очень малым). Входная емкость может быть меньше 1 пФ, и предельная частота доходит до сотен мегагерц. Разработаны мощные (до десятков ватт) транзисторы с изолированным затвором, имеющие крутизну 10 мА/В и больше и работающие на частотах до сотен мегагерц. Транзисторы с изолированным затвором могут применяться во всех схемах, рассмотренных выше (ОИ, ОЗ и ОС). Следует отметить, что изготовление полевых транзисторов по планарно-эпитаксиальной технологии сравнительно несложно и упрощает создание микроэлектронных схем. Особенно просто изготовляются МДП-транзисторы с индуцированным каналом, так как в кристалле надо сделать лишь две области — истока и стока. Для запоминающих устройств созданы МДП-транзисторы с диэлектриком, состоящим из двух слоев. Поверх диоксида кремния нанесен еще слой нитрида кремния Si3N4 или оксида алюминия (алунда). Такие транзисторы получили соответственно названия МНОП- и МАОП-транзисторов. Нитрид кремния и алунд обладают очень высоким сопротивлением, во много раз большим, нежели диоксид кремния. При подаче на затвор импульса положительного или отрицательного напряжения на границе между диэлектриками образуется соответственно отрицательный или положительный заряд. Такой заряд влияет на пороговое напряжение, т. е. напряжение, при котором возникает инверсный канал. Следовательно, транзистор может быть в одном из двух состояний, соответствующих разным значениям порогового напряжения. Каждое из этих состояний может сохраняться очень долго даже при выключенном питании. Один из способов повышения граничной частоты МДП-транзисторов — укорочение канала для уменьшения времени пробега носителей от истока к стоку. В транзисторах типа D-МДП, изготовляемых методом двойной диффузии, канал образуется по толщине тонкого слоя полупроводника. Длина канала получается 1 мкм и менее, а граничная частота может быть 30 ГГц и более. У транзистора типа V-МДП в кремниевой структуре n—р—n протравливается V-образная канавка, на затвор импульса положительного или отрицательного напряжения на границе между диэлектриками образуется соответственно отрицательный или положительный заряд. Такой заряд влияет на пороговое напряжение, т. е. напряжение, при котором возникает инверсный канал. Следовательно, транзистор может быть в одном из двух состояний, соответствующих разным значениям порогового напряжения. Каждое из этих состояний может сохраняться очень долго даже при выключенном питании. протравливается V-образная канавка, на поверхности которой создается пленка диоксида и металлизация для затвора. Как и в транзисторе D-МДП, длина канала определяется толщиной тонкого р-слоя в 1 мкм, расположенного в глубине кристалла. Разновидность полевых транзисторов — транзисторы с двумя затворами. Они предназначены для двойного управления током стока, что используется при преобразовании частоты. Выпускаются также Двойные полевые транзисторы, у которых в одном корпусе размещены два транзистора с самостоятельными выводами. При работе с МДП-транзисторами следует принимать меры предосторожности для предотвращения пробоя тонкого слоя диэлектрика между затвором и каналом под действием статических электрических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе. Необходимо, чтобы при транспортировке и монтаже электроды у транзисторов были замкнуты накоротко. Эти замыкающие проводнички удаляют только по окончании монтажа, когда выводы транзистора уже впаяны в схему.