МОП-транзисторы с индуцированным каналом

Структура транзистора (рис. 2.25, а). Основой для изготовления транзистора служит кристаллическая пластинка слабо легированного кремния p-типа, которая называется подложкой. В теле подложки создаются две сильно легированные области с я-типом проводимости, расположенные в непосредственной близости друг от друга (от 5 до 50 мкм). Одна из этих областей используется как исток (И), другая — как сток ©. Между истоком и стоком поверх тонкого (0,2—0,3 мкм) изолирующего слоя из диоксида кремния располагается металлический затвор (3). Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами. Подложку обычно соединяют с истоком.

Принцип действия. Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при различных напряжениях, подаваемых на затвор (С/₃) и сток (t/_c), относительно истока.

Рис. 2.25. МОП-транзистор с индуцированным каналом

• 1. U₃ < 0. При пулевом напряжении на затворе транзистор представляет собой два встречно включенных р-н-перехода. Поэтому при любой полярности напряжения на стоке рабочий ток транзистора (ток между истоком и стоком) весьма мал, так как равен току обратно смещенного р-н-перехода. При отрицательном напряжении на затворе приповерхностный слой р-полупроводника обогатится дырками, и рабочий ток будет по-прежнему иметь малое значение.
• 2. U₃ > 0, U_c = 0. При подаче на затвор небольшого положительного напряжения основные носители р-полупроводника — дырки — начнут уходить вглубь приповерхностной области, в результате чего создается так называемый обедненный слой. На рис. 2.25, а показан пороговый режим, при котором в обедненном поверхностном слое подложки возникает инверсия проводимости. Это происходит при некотором пороговом сопряжении затвора U₃ , при котором только намечаются формирование токопроводящего канала и появление тока стока (при U_c ^ 0).
• 3. U₃ > U_{3 пор}, U_c ~ 0. При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе (рис. 2.25, б) в подложке индуцируется инверсный слой, обладающий проводимостью /7-типа, который соединяет /г-области истока и стока, являясь токопроводящим каналом между ними. При этом большему положительному напряжению затвора соответствуют большие удельная проводимость

и толщина канала, что, соответственно, вызывает увеличение проводимости канала в целом. Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующие под действием внешнего напряжения, называют индуцированными каналами. Так как возникновение и увеличение инверсной проводимости индуцированного канала «-типа связано с его обогащением носителями заряда (электронами), то считают, что транзисторы подобного типа работают по принципу обогащения.

4. U₃ > U_{3 пор}, U_c > 0. Эти напряжения соответствуют рабочему режиму, когда, но каналу течет ток /_к, обусловленный дрейфом электронов от истока к стоку. Напряжение затвора относительно различных поперечных сечений канала оказывается неодинаковым и изменяется от U₃ возле истока до U₃ — U_c возле стока. В связи с этим ширина индуцированного канала больше возле истока и меньше возле стока. Общая проводимость канала соответственно уменьшается.

При U_c = U₃ — U_{3 пор} напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению (U₃ — U_c= t/_3nop), что приводит к исчезновению инверсной проводимости и условному перекрытию индуцированного канала около стока (рис. 2.25, в). Транзистор входит в режим насыщения. Напряжение стока, при котором возникает обедненная область канала возле стока, называется напряжением насыщения (t/_Cnac = U₃ — t/_3nop).

5. U₃ > U₃, U_c > U_{c нас}. Дальнейшее увеличение напряжения стока U_c приводит к увеличению обедненной области канала Д/_к, на которой выделяется все излишнее (добавочное) напряжение U_c — U_{c нас}. В режиме насыщения происходит незначительное увеличение тока канала (рис. 2.25, г).

При дальнейшем увеличении напряжения U_c возникает лавинный электрический пробой ^-«-перехода сток — подложка и ток стока резко возрастает.

Вольт-амперные характеристики и схема замещения транзистора. На рис. 2.26 приведены выходные и передаточные вольтамперные характеристики МОП-транзистора для схемы с общим истоком, а на рис. 2.27 — физическая схема замещения транзистора.

Рис. 2.26. Выходные (а) и передаточные (б) вольт-амнерные характеристики МОП-транзистора для схемы с общим истоком.

Рис. 2.27. Схема замещения МОП-транзистора.

МОП-транзисторы со встроенным каналом. У транзисторов этого типа канал, соединяющий исток со стоком:

• • возникает естественно из-за контактных явлений на границе полупроводникар-типа с диэлектриком (рис. 2.28, А). Если в качестве подложки использовать кремний с дырочной проводимостью, то сильно легированные /7-области истока и стока будут соединены между собой естественным каналом в виде тонкого инверсного слоя с электронным типом проводимости, который возникает в месте контакта кремния р-типа с пленкой Si0₂;
• • изготавливают технологическим путем в виде тонкого слабо легированного полупроводникового слоя, объединяющего исток со стоком, может быть сделан как /?-, так и p-типа (рис. 2.28, Б).

Рассмотрим процессы, происходящие в канале /г-тина.

Естественный канал. Допустим, что канал имеет начальную исходную проводимость G_k0 (рис. 2.28, А, а). В таком канале путь для тока стока открыт при нулевом напряжении затвора (U₃ = 0).

При отрицательном напряжении на затворе (U₃ < 0) дырки будут притягиваться из подложки, электроны отталкиваться из инверсного слоя, что вызовет обеднение канала основными носителями и уменьшение его общей проводимости. При некотором пороговом напряжении U₃ = U₀< 0 естественный канал исчезает (рис. 2.28, Л, б).

При положительном напряжении затвора (U₃ > 0) канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами) и его ширина, а следовательно, и общая проводимость будут увеличиваться (рис. 2.28, А, в). Увеличение положительного напряжения стока (U_c> 0) вызывает увеличение тока стока. При этом напряжение стока распределяется вдоль канала неравномерно (рис. 2.28, А, г). При определенном значении напряжения стока t/_Cliac происходит полное обеднение и условное перекрытие стокового участка канала (см. рис. 2.28, Л, г) и наступает режим насыщения.

Технологический канал. У транзисторов этого типа встроенный канал отделяется от подножки не индуцированным, а реальным р-77-переходом (рис. 2.28, Б, а). Транзисторы имеют большие значения начальной проводимости канала G_k0 и отрицательного напряжения отсечки U₀.

При отрицательном напряжении на затворе (U₃ < 0) в канале индуцируется обедненный поверхностный слой, который при оп;

Рггс. 2.25. МОП-транзистор с естественным (Л) и технологическим (Б).

каналами ределенном значении U₃ = U₀ смыкается с расширяющимся /?-/?-переходом канал — подложка и токопроводящий канал исчезает (рис. 2.28, Б, 6).

При положительном напряжении на затворе (U₃ > 0) в канале индуцируется обогащенный поверхностный слой. Обогащение канала приводит к его расширению за счет обедненного слоя р-п-перехода канал — подложка (рис. 2.28, Б, в). В результате общая проводимость канала увеличивается.

Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока U_c > 0 вызывает увеличение тока стока и неравномерность распределения U_c вдоль канала. При определенном значении напряжения U_{c нас} происходит смыкание индуцированного обедненного слоя с расширяющимся р-л-нереходом на стоковом участке канала (рис. 2.28, Б, г), что приводит канал к режиму насыщения.

Статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом имеют такую же форму, как и ВАХ для МОП-транзисторов с индуцированным каналом. Однако следует иметь в виду, что МОП-транзисторы со встроенным каналом способны пропускать ток при обеих полярностях напряжения на затворе.

Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев рассмотренные в этой главе полупроводниковые приборы входят в состав интегральных схем.