7.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Уменьшение входного тока уменьшает энергетические затраты на запуск внутренних процессов в полевом транзисторе, приводящих к усилению. Более совершенны в этом плане транзисторы с изолированным затвором. В этих транзисторах металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-тран­зис­торы (от слов металл-диэлектрик-полу­про­вод­ник) или МОП-транзисторы (от слов металл-оксид-полу­про­вод­ник), так как диэлектриком обычно служит слой двуокиси кремния.

На рис. 7.5 показано устройства полевого транзистора с изолированным затвором. Основанием транзистора служит кристалл кремния с электропроводностью р-типа. В нем созданы две области с повышенной проводимостью n-типа (n+). Эти области являются истоком и стоком.

Рис. 7.5. МДП - транзистор со встроенным каналом.

Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с проводимостью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы микрометров, а ширина - сотни микрометров и более в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя 0,1 – 0,2 мкм. Поверх диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Приборы с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом.

Если при отсутствии напряжения на затворе между стоком и истоком приложить напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через основной объем кристалла ток не пойдет, т.к. один из n-p-переходов исток-кристалл или кристалл-сток всегда закрыт.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а, следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в область истока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим работы транзистора называют режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны, проводимость канала увеличивается, и ток стока увеличивается. Этот режим называют режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор с собственным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это наглядно показывает стоковые и сток-затворные характеристики (рис.7.6).

Рис. 7.6. Статические характеристики МДП – транзистора со встроенным каналом.

Рис. 7.7. МДП - транзистор с индуцированным каналом n - типа.

Другим типом полевого транзистора является транзистор с индуцированным (ин­­­версным) каналом (рис. 7.7). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной по­лярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n+-типа расположен кристалл р-типа и на одном из n+-p-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт.

Рис. 7.8. Характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n - типа.

Если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и из р-области по направлению затвора. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение (единицы вольт), то в приповерхностном слое концентрация электронов увеличится настолько, что превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия проводимости n-типа, т.е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем боль­ше проводимость канала и ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения, что видно из ха­рак­теристик (рис. 7.8). Пара­мет­ры МДП – тран­­­зис­то­ров аналогичны па­ра­метрам по­левых транзисторов с n-p-пе­реходом.

Рис. 7.9. Условные графические изображения полевых транзисторов: а) - с управляющим p-n -переходом, б) - с индуцированным каналом, в) - со встроенным каналом (верхний ряд канал p - типа, нижний – n; и – исток, з – затвор, с – сток.).

Транзисторы с изо­­ли­ро­ван­ным затвором имеют преимущество в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств, отмеченных для полевых транзисторов с n-p-пере­хо­дом, и, кроме того, обладают еще рядом достоинств. Входное сопротивление по постоянному току у них представляет собой сопротивление изоляции затвора и достигает 10^-12 - 10^-13 Ом. Важно, что входное сопротивление остается большим при любой полярности напряжения затвора. Входная емкость может быть меньше 1пФ, а предельная частота доходит до сотен мегагерц.

Условные обозначения полевых транзисто­ров представлены на рис. 7.9.

Р ис. 7.10. Схема для исследования полевых транзисторов.