Полевой МОП-транзистор (MOSFET) — Что это?

Транзисторы со встроенным и индуцированным каналами

По своему принципу действия Полевые транзисторы полностью отличаются от Биполярных. О том как проверить полевые и биполярные транзисторы. Мы уже разбирали ранее. А сегодня пойдёт речь о принципе действия и работе полевых МОП-транзисторов (MOSFET)

Принцип действия полевых транзисторов совсем иной, чем биполярных. При протекании тока в полевом транзисторе участвуют только основные носители одного знака — только дырки или только электроны. Ток в них протекает только в одном слое или N проводимости или P. Отсюда и термин «униполярный».

В Биполярном транзисторе всё совсем по-другому. При протекание тока участвует полупроводники различных типов и N и P. Поэтому эти транзисторы называют биполярными (в них используются полупроводники обоих типов).

В полевом транзисторе величина протекающего тока регулируется зарядом (Электрическим полем) на затворе транзистора (а не током эмиттера, как в биполярном транзисторе). Отсюда происходит второе название — полевой транзистор.

МОП-транзистор (MOSFET)

По-настоящему широкое распространение полевые транзисторы получили лишь с появлением транзисторов с изолированным затвором. У таких транзисторов затвор представля­ет собой металлический слой, изолированный от полупроводникового канала тонкой диэлектрической пленкой. В названии таких транзис­торов учтена их структура (металл — диэлектрик — полупроводник).

Наибольшее распространение получили кремниевые транзисторы, диэлектриком в которых является окисел (двуокись кремния), так называемые МОП-транзисторы (со структурой металл — окисел — полупроводник) (см. рис.1). Особенно широко МОП-транзисторы используются в интегральных схемах ввиду простоты технологии их изготовления и малой мощностью потребления. Имеется две разновидности МОП-тран­зисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В свою очередь, каждый из них может быть как с каналом п-типа (n-канальный), так и с каналом р-типа (р-канальный).

МОП-транзистор со встроенным каналом

На рис.1 приведена структура МОП-транзистора со встроенными каналами n-типа и схема включения с общим истоком. Исток и сток такого транзистора образованы сильно легированными n⁺ областями в относительно высокоомной подложке — кристалле p-типа. Между стоком и истоком технологическими приемами создается тонкий канал n-типа с большим сопротивлением из-за малой толщины канала. Такой транзистор называют МОП-транзистором со встроенным каналом. Канал между стоком и истоком покрыт пленкой диэлектрика – двуокиси кремния. На пленку диэлектрика наносится металлическая пленка М, являющаяся затвором. Длина канала составляет единицы мкм. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения ОИ показаны на рис.1. При сильном упрощении принцип действия такого транзистора можно объяс­нить так:

1. При отрицательном напряжении на затворе Uз (относитель­но истока) электроны «отталкиваются» электрическим полем от по­верхности (т.е. из канала) в глубь подложки, а дырки подходят из подложки к поверхности. Проводимость канала уменьшается. 

Рис. 1

Такой режим называют режимом обеднения (как в унитроне).

При некоторой величине отрицательного напряжения на затво­ре, называемом напряжением отсечки U_отс, n-канал исчезает сов­сем. Остаются только сток и исток n⁺—типа и окружающая их под­ложка р-типа, с которой сток и исток образуют два встречно включенных р-п перехода. Ток стока при этом не протекает. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным каналом в режиме обеднения подобен унитрону, только ток затвора в нем во много раз меньше.

2. При положительном напряжении на затворе электроны «вы­тягиваются» полем из подложки (в подложке электроны — неоснов­ные носители) к поверхности, т.е. в канал. Электроны в канал поступают и из полуметаллических n⁺-слоев истока и стока. Дырки же «отталкиваются» полем в глубь подложки. Проводимость канала при этом увеличивается. Такой режим называют режимом обогащения (в унитроне он невозможен). На рис.2 приведены статические выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Они аналогичны характеристикам унитрона с той лишь разницей, что МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. На рис.2 показаны затворно-стоковые характерис­тики (характеристики прямой передачи), отличающиеся от аналогичных ха­рактеристик унитрона использованием положительных (U_ЗИ > 0) и отрицательных (U_ЗИ < 0) напряжений на затворе, соответствую­щих режимам обогащения и обеднения соответственно.

Рис. 2

МОП-транзистор с индуцированным каналом 

Этот транзистор отличается только тем, что при изготовле­нии не получают проводящего канала между истоком и стоком (рис.3).

Рис. 3

Сильно легированные области стока и истока n⁺-типа образуют с подложкой p-типа два встречно включенных p-n перехода, поэтому ток между стоком и истоком (I_с) при U_3н≤0 протекать не может. Режим обеднения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении затвора U_З, под действием элект­рического поля электроны «вытягиваются» из р-подложки и из областей истока и стока к поверхности под затвором, а дырки отталкиваются в глубь подложки. При некотором положительном на­пряжении затвора, называемом пороговым U_пор, на поверхности под затвором концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. возникает (индуцируется) канал n-типа. Такой тран­зистор называют МОП-транзистором c индуцированным каналом. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения показаны на рис.3. При увеличении напряжения затвора сверх порогового Uз>U_пор проводимость канала увеличивается, т.е. наступает режим обогащения. На рис.4 приведены статические входные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с индуциро­ванным каналом. Основное отличие этих характеристик от предыду­щих обусловлено тем, что МОП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения (Uз>0) и имеет параметр – пороговое напряжение U_пор. На рис.4 показаны затворно-стоковые характеристики этого транзистора. МОП-транзис­торы с индуцированным каналом проще в изготовлении, т.к. отсут­ствуют технологические операции по «встраиванию» канала. Они более перспективны для применения в микросхемах.

Рис. 4