МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Структура МДП - транзистора с индуцированным p- каналом показана на рис. 7.5, в. В качестве исходного материала транзистора использован кремний n- типа. Чаще всего диэлектриком является оксид кремния SiO₂. В оксиде кремния всегда содержатся положительно заряженные ионы натрия, калия, водорода, осаждаемые на поверхность кремния в процессе выполнения технологических операций.

Положительный заряд в пленке оксида кремния наводит (индуцирует) у поверхности n -области слой, в котором концентрация электронов выше, чем в объеме n- области. При подаче на затвор отрицательного напряжения U_ЗИ электроны поверхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность, то есть появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком, который играет роль канала. Толщина индуцированного канала составляет всего 1 – 5 нм. При приложении напряжения между истоком и стоком дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Изменяя напряжение на затворе, можно расширять или сужать канал, увеличивая или уменьшая ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением U_{ЗИ пор} (рис. 7.10, а).

Вид выходных характеристик этих транзисторов (рис. 7.10, б) аналогичен выходным характеристикам МДП-транзисторов со встроенным p- каналом. Разница состоит в том, что напряжение затвор–исток всегда отрицательное, то есть U_ЗИ < 0. Наблюдаются те же три области: омическая, насыщения и пробоя.

Рис. 7.10. Стокозатворные (а) и выходные (б) характеристики МДП-транзисторов с индуцированным p- каналом

7.3. Эффект смещения подложки

Подложка, на которой изготавливают МДП-транзистор, имеет противоположный каналу тип проводимости. Рассмотрим, как меняются характеристики МДП - транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р-n -перехода.

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р-n -перехода. Эти токи попадут в стоковую цепь, и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки, соответствующее обратному смещению индуцированного и истокового р-n -перехода. По полярности это будет напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизированных акцепторов:

.           (7.6)

Поскольку напряжение на затворе V _GS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Q _m. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения Q _B вырос, заряд электронов в канале Q _n должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.

При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение транзистора V _Т. Изменение порогового напряжения будет равно:

. (7.7)

Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения V _Т, то переходные характеристики МДП‑транзистора при различных напряжениях подложки V _SS смещаются параллельно друг другу. На рис. 7.11 показан эффект влияния смещения подложки на переходные характеристики.

7.4. Эквивалентная схема МДП‑транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 7.12.

Рис. 7.11. Влияние напряжения смещения канал-подложка V _SS на переходные характеристики транзистора

Рис. 7.12. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

В этой схеме R _вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С _вх – емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор-исток. Паразитная емкость С _пар обусловлена емкостью перекрытий затвор-сток. Выходное сопротивление R _вых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость С _вых определяется емкостью р-n -перехода стока. Генератор тока  передает эффект усиления в МДП-транзисторе.