Основные теоретические положения

Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, затвор которого отделен от канала слоем диэлектрика. Благодаря этому удается обеспечить значительное увеличение входного сопротивления транзистора и уменьшить мощность, потребляемую входной (затворной) цепью транзистора от источника сигнала, по сравнению с транзистором с управляющим p–n-переходом. Эти преимущества рассматриваемого транзистора позволяют использовать его как элементную базу интегральных схем микроэлектронных устройств, в которых обработка сигналов происходит при малых значениях их мощности (например, в портативных  устройствах с батарейным питанием, запоминающих устройствах и т. д.).

На рис. 7.1 показаны структуры полевых транзисторов с изолированным затвором: а – с индуцированным каналом, б – со встроенным каналом.

Рис. 7.1

Для создания таких структур в кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, называемым подложкой, формируются две сильно легированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области наносятся металлические электроды – исток (И) и сток (С). Расстояние между этими областями может составлять всего несколько микрометров. Поверхность кристалла между истоком и стоком покрывают тонким слоем диэлектрика (~ 0,1 мкм).

В качестве диэлектрика используют слой диоксида кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления в атмосфере «сухого» кислорода. На слой диэлектрика наносят металлический электрод – затвор. В результате получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника (МДП-транзистор).

Различают две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между областями истока и стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением U_ЗИпор. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p–n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе в случае p-подложки в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводнике при малых напряжениях на затворе, меньших порогового U_ЗИпор, у поверхности полупроводника вследствие образования индуцированных положительных зарядов возникает обедненный основными носителями (электронами) слой и область объемного (пространственного) заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов.

При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой (р-слой), который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Характер выходных стоковых характеристик I_С = f (U_CИ), представленных на рис. 7.2, при   для МДП-транзистора аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим p–n-переходом. Отклонение характеристик от линейного закона на участках от 0 до объясняется уменьшением канала около стока и ростом сопротивления канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе. Причиной этого является то, что при подаче на сток и затвор потенциалов одного знака относительно истока, и при прохождении по каналу тока стока возникает распределение напряжения по длине канала (неэквипотенциальность канала), что приводит при увеличении тока стока к уменьшению поперечного сечения канала около стока. При некотором напряжении насыщения  происходит перекрытие канала около стока и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока (рост напряжения компенсируется увеличением длины перекрытой части канала). Через этот перекрытый участок канала идет ток, связанный с движением дырок под действием

Рис. 7.3

сильного тянущего поля. Дрейфовая скорость движения  носителей  насыщается   и  ток  через  канал   сохраняет  своё значение. Структура МДП-транзистора при представлена на рис. 7.3.

При увеличении напряжения на затворе выходные характеристики смещаются в область больших токов стока. При больших напряжениях происходит ла­винный пробой р–n-перехода. На сток и затвор МДП-транзистора по­даются напряжения одной полярности, поэтому с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться и  (рис. 7.2).  Пробой  диэлек­трика  под  затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя диоксида кремния око­ло 0,1 мкм. Сток-затворные характеристики (характеристики передачи) при разных значениях  выходят из одной точки, соответствующей поро­говому напряжению (рис. 7.4).

На рис. 7.5 представлены зависимости тока стока от напряжения на подложке.

При увеличении температуры происходит перераспределение носителей по энергиям и наблюдается смещение уровня Ферми к середине запрещенной зоны, поэтому инверсный слой под затвором образуется при меньших напряженностях электрического поля и статические характеристики при неизменном напряжении стокам разных температурах пересекаются.

В режиме насыщения для сток-затворных характеристик справедлива приближенная формула

где  – подвижность дырок;  – удельная емкость между затвором и каналом; b и l – ширина и длина канала.

Рис. 7.5

Рис. 7.4

Ток стока в первом приближении не зависит от напряжения на стоке.

Крутизна этой характеристики в зоне насыщения дрейфовой скорости определяется путем дифференцирования выражения (7.1) по напряжению на затворе:

Из формулы (7.2) следует, что для увеличения крутизны характеристики исходный полупроводник должен обладать большой подвижностью носителей заряда. Поэтому транзистор с n-каналом будет иметь большее значение крутизны по сравнению с р-канальным транзистором. Крутизна увеличивается с ростом ширины канала и уменьшением его длины. Использование диэлектрика с большей диэлектрической проницаемостью также приводит к увеличению крутизны. Но при увеличении емкости за счет увеличения ширины канала ухудшаются частотные свойства полевого транзистора.

Рис. 7.6

В отличие от МДП-транзисторов с индуцированным каналом в полевом транзисторе со встроенным каналом поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярностей. В связи с этим МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями, как это показано на сток-затворных характеристиках транзистора со встроенным каналом (рис. 7.6). Эта особенность отражается и на стоковых (выходных) характеристиках этого транзистора (рис. 7.7).

Рис. 7.7

Обозначения различных разновидностей полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис. 7.8: слева направо – с индуцированным р-каналом, со встроенным р-каналом, с индуцированным n-каналом, со встроенным n-каналом соответственно.

Следует отметить, что в полевом транзисторе с изолированным затвором возможно управление током стока путем изменения напряжения как на затворе, так и на подложке.

Рис. 7.8

В случае р-канального транзистора подача положительного напряжения на подложку приводит к увеличению области пространственного заряда (ОПЗ) и перекрытию канала. При этом ток стока постепенно падает.

 При разных напряжениях на затворе, определяющих первоначальную толщину канала, напряжение отсечки неодинаково (см. рис. 7.4). Таким образом, можно осуществить двойное управление током стока, изменяя напряжение либо на затворе, либо на подложке. Сток-затворные характеристики при увеличении положительного напряжения на подложке сдвигаются в сторону бо̀льших значений ,  а  пороговое  напряжение,  при  котором образуется р-канал, увеличивается.

Рис. 7.9

При включении сопротивления R_C в цепь стока динамические сток-затворные характеристики идут ниже статической (рис. 7.9). Вначале при малых напряжениях на затворе транзистор оказывается в режиме насыщения. При увеличении тока стока падение напряжения на сопротивлении RC увеличивается и, соответственно, уменьшается напряжение на стоке, так как , и при больших токах транзистор переходит в линейный режим, а ток стока почти не изменяется с увеличением напряжения на затворе (здесь  – напряжение источника питания стоковой цепи).

При увеличении сопротивления RC в цепи стока зависимости тока стока от напряжения на подложке идут ниже и начинаются из той же точки, что и статическая характеристика (рис. 7.10).

Рис. 7.10

В динамическом режиме работы полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом могут работать подобно другим активным приборам в режимах колебаний первого рода – без отсечки тока стока и в режиме колебаний второго рода – с отсечкой тока стока.

В случае колебаний первого рода интерес представляет малосигнальный режим класса А, когда нелинейность сток-затворной характеристики практически не искажает усиливаемый сигнал. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме , где  – крутизна транзистора в рабочей точке.

Режимы колебаний второго рода подразделяются на классы АВ, В и С. Для их характеристики вводят понятие угла отсечки, равного отношению половины времени протекания тока τ за период T к величине этого периода, которое выражается в радианах: .

В классе АВ угол отсечки  находится в пределах , в классе В  и в классе C . Напомним, что режимы колебаний второго рода используются для получения высокого коэффициента полезного действия прибора.

При работе рассматриваемого полевого транзистора в схеме преоб-разования частоты на затвор подают напряжение одной частоты, а на подложку – напряжение другой частоты, т. е. используют режим двойного управления током стока. Например для получения амплитудно-модулированных колебаний на затвор можно подать напряжение высокой частоты w, а на подложку – напряжение низкой частоты Ω. При этом как при управлении по затвору, так и при управлении по подложке транзистор должен работать в режиме класса А, чтобы получить линейное преобразование частоты. Выходное напряжение на нагрузке в этом случае будет определяться следующим выражением:

                             ,                                    

где  – амплитуда выходного напряжения, m – глубина амплитудной модуляции, w и Ω – соответственно, низкая и высокая круговые частоты.