Польові транзистори МОН

Польові транзистори метал-діелектрик-напівпровідник(МДН), або по іншому метал-оксид-напівпровідник(МОН) сильно відрізняються від розглянутих останніми за принципом дії, так і по технології виготовлення. Але кінцеві дані (перехідні і вихідні характеристики) в них дуже схожі на криві останніх графіків.

Розглянемо, наприклад, напівпровідник (кремній,германій) p-типу електропровідності. Будемо вважати, що на нього нанесений тонки шар діелектрика (частіше інших вирощується оксид кремнію на кремнії). Товщина діелектрика повинна бути дуже малою. Якщо в технології напівпровідників використовують захисні шари оксида товщиною від 1 до 2..3 мкм, то ми будемо вважати, що товщина діелектрика знаходиться в межах 0,1..0,3 мкм.

Зверху на діелектрик нанесений шар металу. Між металом і напівпровідником прикладене електричне поле.

У випадку тонкого діелектрика електричне поле легко проникає в напівпровідник. Що внесе це поле в напвпровідник, легко зрозуміти при дослідженні зоних діаграм:

Рис.3.8 Залежності енергії електрона метала від координати

Рис.3.9 Конструкція МОН транзистора

На рисунку 3.8 зображені три залежності енергії електрона від координати. Зліва представлений випадок, коли до металу (позначений літерою М) прикладена від’ємна по вдношенню до напівпровідника напруга. Вона притягує до поверхні напівпровідника дірки, а електрони відштовхує. Іншими словами, зонна діаграма вигинається вверх, і при умові встановлення рівноваги, дірок біля поверхні стане ще більше, ніж було в вихідному напівпровіднику.

На середньому рисунку зображена діаграма в випадку, коли до метала відносно напівпровідника прикладена позитивна напруга, зони вигнуті вниз. Дірок біля поверхні стало ще менше, ніж в глибині, а електронів більше. Але поки дірок біля поверхні більше, чим електронів.

На правому рисунку ситуація кардинально змінилася: напруга знову позитивна, але вже значно більша, щоб електронів у поверхні стало більше, ніж дірок. Напівпровідник розділився на дві області: в глибині це p-тип, а біля поверхні n-тип(відбулася інверсія типу електропровідності).

Тепер розглянемо конструкцію, яка зображеня на рисунку 3.9 зліва. Це напівпровідник (наприклад кремній) p- типу, в якому зроблені дві області n- типу. Зверху крім захисного шару діоксида кремнія нанесений ще тонкий шар діоксида кремнія між n- бластями. Якщо тепер подати напругу між стоком і витоком, то нічого не станеться: струм не з’явиться, так як при будь-якому знаці напруги хоча б один з p-n переходів зміщений в оберненому напрямку (це так же як і в біполярному транзисторі при дуже товстій базі – два p-n перехода окремо).

А тепер подамо позитивну напругу на затвор відносно підложки (рис.3.9 справа). Якщо ця напруга більше деякого значення, так називаємого порогового (U_п), то дірки вдштовхнуться від поверхні в глибину напівпровідника, а електрони притягнуться до поверхні, і їх стане більше, ніж дірок – біля пверхні з’явиться наведений (індукований) шар n-типу. Цей шар з’єднає дві вихідні області n- типу, і між стоком і витоком з’явиться струм. Кажуть, що утворився канал n- типу.

Звичайно, можна взяти структуру з p-n-p областями. Для неї все буде теж саме, але на затвор потрібно подавати від’ємну напругу, і канал буде p-типу. Далі ми розглядаємо тільки n-канальний МДН транзистор.

Безперечно, ця структура має 4 контакта. Інколи їх всі використовують. Однак частіше витік з’єднують з піложкою, і залишається лише 3 контакта. Для спрощення ми розглянемо лише цей випадок.

На рисунку 3.10 представлені перехідна і вихідна характеристики польового транзистора МДН з вбудованим n-каналом. Видно, що в цьому випадку всі потенціали позитивні. Перехідна характеристика поводить себе як частина параболи. Залежність струму стоку від напруги сток-витік представлена на рисунку. Ці криві дуже схожі на вихдні характеристики польового транзистора з p-n переходом, але тут знак струму і напруги не співпадають.

І тут також, як і в попередньому випадку, виникає питання, чому характеристики не прямі – здається, що тільки від напруги U_зп залежить провідність канала і тому повинен дотримуватися закон Ома, тобто струм стоку повинен бути пропорціональним до напруги сток-витік. Однак з рисунку видно, що чим більша напруга сток-витік, тим більший опір каналу. Пояснюється це тим

Рис.3.10 Перехідна і вихідна характеристики польовго транзистора МДН з вбудованим n- каналом

що в каналі є падіння напруги, а так як в затворі немає ніяких струмів, то і напруга в усіх точках затвора однакова. Якщо витік і підложка з’єднані, то в каналі поблизу стоку напруга дорівнює 0, а поблизу стоку дорівнює U_св, отже різниця потенціалів між затвором і підожкою буде зменшуватися від витоку до стоку, канал буде мати різну товщину і електропровідність, як показано на рисунку зліва.

Рис.3.11

Як виходить з теорії, залежність струму стоку від напруги на затворі і стоку має вигляд:

де К – коефіцієнт, який залежить від конструкції і технології виготовлення транзистора, має розмірність А/В². Це парабола в координатах U_св - І_с, причому перевернута і проходить через початок координат. Максимум лежить в точці:

і складає

а далі повинен бути спад. Але на графіку цього спаду не видно. В чому ж справа? Виявляється, причина в тому, що в p-n переході є ООЗ, а в ній – електричне поле, вказане на рисунку:

Рис.3.12

Всі стрілки мають різні напрями, але в кінці канала напрямок завжди однаковий: поле направлене так, що електрони витягуються з канала і втягуються в обасть стоку. Це поле дуже велике, тому витягування електронів дуже сильне. Це також і в польових транзисторах з p-n переходом і біполярних транзисторах. Із-за цієї причини з подальшим ростом напруги на стоці вся надлишкова напруга падає на ООЗ стоку і приводить до витягування електронів з канала в сток, а в каналі падає однакова напруга, і струм каналу далі не змінюється. Тому спада струму немає, а лише постійність (насправді дуже мале зростання). Як раз ця область і являється робочою ділянкою вихідної характеристики польового транзистора, тобто транзистор завжди працює з закритим каналом. Струм стоку дорівнює:

Крутизна визначається похідною струму по напрузі на затворі:

Чим більша напруга на затворі, тим більша крутизна. Але насправді затвор дуже швидко пробивається, так як це дуже тонкий шар оксиду кремнія, тому крутизна ненабагато більша, чим у польових транзисторів з p-n переходом. Крім того, МОН польові транзистори дуже часто пробиваються статичною напругою, тому їх надо припаювати до схем з великою обережністю. Звичайно всі польових транзисторів з’єднані між собою і рз’єднуються тільки перед самою пайкою, паяльник повинен бути заземленим, і то, хто паяє, повинен мати на руці заземлюючий браслет.

Нижче на рис.3.13 показані схематичні зображення МОН польового транзистора з n-каналом (зліва) і з р- каналом (справа).

Рис.3.13 Схематичні зображення МОН польового транзистора з n-каналом (зліва) і з р- каналом (справа)

Такі транзистори називають МОН транзисторами з індукованим каналом. Можна, однак, перед тим як робити підзатворний діелектрик, провести ще одну дифузію донорів для n-канальних транзисторів або акцепторів для р-канальних транзисторів, щоб створити вбудований канал. Тоді характеристики будуть виглядати наступним чином:

Рис.3.14 Перехідна і вхідна характеристики польового МДН транзистора з індукованим каналом

Тепер у транзистора є струм навіть при нульові напрузі на затворі, і є можливість ним керувати, тобто отримувати підсилення. Позначаються такі транзистори майже так сам, як і

транзистори з індукованим каналом:

Схемні рішення МОН транзисторів з індукованим каналом і вбудованим каналом практично мало відрізняються вд схем польових транзисторів з p-n переходом, тому ми їх не розглядаємо.

Дата добавления: 2015-07-08