Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ, MOSFET) - это разновидность полевого транзистора, затвор которого отделен от канала слоем высокоомного диэлектрика. Наличие диэлектрика обеспечивает очень высокое входное сопротивление ПТИЗ (10¹²…10¹⁴ Ом). Поскольку затвор гальванически отделен от канала, и входной ток (ток через контакт затвора) практически отсутствует, то говорится, что ПТИЗ, также как и ПТУП, управляется не током, а напряжением.

В структурах ПТИЗ металлический контакт затвора З обычно сформирован на слое диэлектрика SiO ₂. В данном случае транзисторы имеют аббревиатуру МОП (металл- окисел-полупроводник).

Токопроводящий канал формируется непосредственно под слоем диэлектрика, т.е. он локализован в тонком приповерхностном слое полупроводника (планарная структура).

В зависимости от того, как образуется проводящий канал, ПТИЗ выпускают двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Встроенный канал

Встроенный канал (рис. 5.4, а) формируется в процессе реализации метода фотолитографии (см. тему 6). При наличии канала достаточно приложить напряжение U _си необходимой полярности (потенциал, притягивающий основные носители канала!), чтобы носители заряда начали дрейфовать (перемещаться) от истока И к стоку С под действием возникающего электрического поля.

Вывод подложки П обычно заземлен и может быть гальванически соединен (проводом) с истоком.

 

а) б) в)

Рис. 5.4. Конструкция ПТИЗ со встроенным каналом n -типа (а),
семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

Поскольку концентрация доноров N _Д во встроенном канале меньше, чем концентрация N _A акцепторов в подложке, канал имеет большее электрическое сопротивление, чем подложка. Обратим внимание, что n -канал отделен от подложки протяженным (от истока к стоку) изолирующим слоем p-n- перехода. Из-за разницы концентраций доноров и акцепторов данный р-n- переход локализован, как и в ранее рассмотренных структурах, главным образом, в области канала.

Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 5.4, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.

Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. U _зи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения U _си на стоке (рис. 5.4, б) выходной ток I _с растет почти линейно от нуля до точки 1 (² омическая зона ² ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.

По мере увеличения напряжения рост тока I _с практически прекращается (точка 2) – при напряжении U _{си нас} достигается насыщение тока (геометрическое место точек U _{си нас} представлено пунктиром). Проявляется так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения U _си.

Причина дальнейшего ограничения тока I _с связана с перекрытием канала в области стока. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n -переход ″внедряется″ в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток U _си (рис. 5.4, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока I _с растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n -перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Допустим, транзистор находится в режиме работы, характеризуемым точками 2 - 3 (рис. 5.4, б: U _зи = 0, U _си = 10 B, I _с = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал j_з < 0 (U _зи < 0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n -канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n - канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n -канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении U _си ток стока I _с уменьшается (рис. 5.4, б, в).

Вследствие этого серия стоковых характеристик при U _зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U _зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n -типа), называют режимом обеднения канала.

При подаче на затвор З напряжения U _зи > 0 электростатический заряд ²+² затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р -типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n -канала возрастает, и при фиксированном напряжении U _си ток I _с увеличивается. Поэтому при U _зи > 0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U _зи = 0 (рис. 5.4, б).

Семейство (серия) стоковых характеристик ПТИЗ со встроенным каналом n-типа показано на рис. 5.4, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Различие заключается в том, что для ПТИЗ входное напряжение U _зи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Стоко-затворные характеристики ПТИЗ приведены на рис. 5.4, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n -переходом (рис. 5.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при U _зи< 0 (режим обеднения), так и при U _зи > 0 (режим обогащения).

Индуцированный канал

Конструкция ПТИЗ с индуцированным каналом n -типа показана на рис. 5.5, а. Канал проводимости, обеспечивающий протекание тока за счет движения носителей заряда от истока к стоку, в данной структуре изначально (на заводе) не создается. В связи с этим, обратим внимание, что области истока и стока отделены от подложки p -типа и друг от друга изолирующим слоем p-n- переходов. Другими словами, исток и сток гальванически сейчас не связаны. Очевидно, что приложение напряжения между контактами стока С и истока И не вызовет появления тока стока ввиду отсутствия канала проводимости.

а) б) в)

Рис. 5.5. Конструкция ПТИЗ с индуцированным n -каналом (а),
семейства его стоковых (б) и стоко-затворных характеристик (в)

 

Для того чтобы электроны имели возможность переходить от истока к стоку, необходимо искусственно создать (индуцировать) канал длиной d c проводимостью n -типа, в котором электроны являются основными носителями. Эта возможность может быть реализована за счет так называемого эффекта поля, который заключается в следующем. Подадим положительный потенциал j_з на металлический контакт затвора З. Вспомним, что в подложке р -типа имеются как основные носители – дырки, так и неосновные носители – электроны.

Электрическое поле положительного заряда контакта затвора за счет явления электростатической индукции (через слой диэлектрика) силами кулоновского взаимодействия подтягивает электроны из объема подложки под слой окисла, отделяющий металлический контакт З от полупроводника. Заметим, что это же поле отталкивает из-под слоя окисла дырки, заставляя их дрейфовать вглубь р -подложки.

Если подтянувшихся к поверхности электронов будет достаточное количество, то приповерхностный слой полупроводника (под диэлектриком) не только обогатится электронами, но даже изменит тип проводимости: под пленкой окисла образуется канал n -типа, как проводник, который соединит исток и сток, аналогично транзистору ПТИЗ со встроенным каналом.

Другими словами, n -канал образуется (индуцируется) при определенном ²+² потенциале затвора благодаря притягиванию электронов из полупроводниковой подложки р -типа. За счет подтягивания электронов под слоем окисла (под контактом затвора) в приповерхностном слое полупроводника происходит изменение знака проводимости этого приповерхностного слоя. Проводимость образовавшегося канала n -типа возрастает по мере повышения приложенного к затвору напряжения положительной полярности, т.к. все больше и больше электронов подтягивается² под слой диэлектрика.

Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения канала электронами, после того, как потенциалом затвора формируется канал соответствующего типа проводимости. Напряжение затвора U _зи.пор, при котором образуется канал необходимого типа, называется пороговым (рис. 5.5, в).

После того, как канал образовался, работу транзистора и его ВАХ следует анализировать так же, как и транзистор со встроенным каналом.

Стоковые характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом n -типа приведены на рис. 5.5, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока I _с осуществляется входным напряжением U _зи полярности, совпадающей с полярностью U _си. Управление транзистором возможно только после того, как сформирован (индуцирован) канал соответствующего типа проводимости, в частности, при U _зи > 3 B.

Стоко-затворные характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом n -типа приведены на рис. 5.4, в.

Резкое увеличение тока I _с (например, рис. 5.4, б; 5.5, б) на участке III при больших напряжениях U _си связано с лавинным пробоем области p-n- переходов (в областях стока-затвора и сток- подложка) вблизи контакта стока.

Условные обозначения ПТИЗ указаны на рис. 5.6: встроенный n -канал (а) и вывод от подложки (в); встроенный p- канал (б) и вывод от подложки (г); индуцированный n -канал типа (д) и вывод от подложки (ж); индуцированный p -канал (е) и вывод от подложки (з).

Рис. 5.6. УГО ПТИЗ различной конструкции

ПТИЗ представляет собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (кроме И, З, С) является вывод от подложки П (исходной полупроводниковой пластины), выполняющий вспомогательную функцию, например, заземления.

Особенности схемы измерения

В работе исследуются схема с общим истоком (ОИ) на основе полевого транзистора КП302А (Рис. 6) - кремниевого планарного полевого транзистора типа ПТУП с n -каналом с управляющим p-n-переходом (рис. 5.6, а). Отметим, что в ряде справочников ПТУП определяется как транзистор с так называемым диффузионным затвором.

Статические параметры транзистора КП302А приведены в таблице 5.1.

Стоковая характеристика реального транзистора КП302А в схеме ОИ приведена на рис. 5.7.

а) б)

Рис. 5.6. Стенд ЭС-4А со схемой ОИ (а) и вид транзистора КТ808А (б)

Рис. 5.7. Стоковая ВАХ транзистора КП302А в схеме ОИ

Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к теме: ″Полевые транзисторы″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует описать:

– планарные структуры ПТУП и ПТИЗ, их обозначение;

– схемы включения транзистора и испытаний;

– какие потенциалы необходимо подавать на затвор и сток для нормальной работы транзистора;

– серии стоковых и стоко-затворных характеристик ПТУП и ПТИЗ;

– маркировку; конструкцию приборов; параметры реальных транзисторов, используя справочники (табл. 5.1);

– таблицы для испытаний.

Таблица 5.1

Параметр	Значение
Максимальный ток стока	24 мА
Ток утечки затвора	0,01 мкА
Обратный ток перехода затвор-сток	1 мкА
Крутизна при U си = 7 В, U зи = 0 В	12,5 мА/В
Напряжение отсечки	5 В
Сопротивление сток-исток	150 Ом
Максимальное напряжение сток-исток	20 В
Максимальное напряжение затвор-исток	10 В
Мощность рассеяния по постоянному току	300 мВт

Измерения и обработка результатов

1. Ознакомьтесь со стендом. По разрешению преподавателя включите установку.