Польові транзистори з ізольованим затвором (МДН-транзистори)
На відміну від ПТ з керуючим р-п переходом, у яких затвор має безпосередній електричний контакт із суміжною зоною струмопровідного каналу, у МДН-транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алюмінієву плівку (А1), ізольований від зазначеної зони шаром діелектрика. Тому МДН-транзистори належать до класу ПТ з ізольованим затвором. Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих транзисторів (1012 10І4Ом).
Частіше як діелектрик використовують оксид кремнію (SiO2), і тоді ПТ називають МОН-транзисто-ром (метал - окисид - НП). Такі транзистори бувають із вбудованим та індукованим каналами. Останні більш розповсюджені.
Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом n-типу зображена на рис. 2.31.
В основі роботи МОН транзистора лежить ефект керування поверхневою провідністю та поверхневим струмом за допомогою затвора. Для того, щоб забезпечити проходження керованого струму під затвором, створюють дві електродні області: витік та стік.
Напівпровідникові області витоку та стоку створюють із сильно легованого матеріалу і такого, який володіє хорошою провідністю і відрізняється за типом провідності від матеріалу базового кристалу. Таким чином, при відсутності різниці потенціалів на затворі між витоком та стоком виявляються два зустрічно увімкнених діоди і, відповідно, струм в цьому колі буде рівний зворотньому струмові одного з діодів, тобто досить малий і транзистор буде знаходитись у закритому стані. Для того, щоб транзистор відкрився, на затвор необхідно подати такий потенціал відносно потенціалу підзатворної ділянки, щоб на поверхні відбулася інверсія провідності. При позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверхневий шар на межі НП із діелектриком збагачується електронами, що притягуються з глибини p-шару (де вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище інверсії НП у підзатворній зоні, коли p-шар стає n-шаром. Таким чином, між зонамиn-шарів наводиться (індукується) канал, по якому може протікати струм від стоку до витоку. Різниця потенціалів затвора, при якій відбувається інверсія провідності підзатворної області та починає протікати струм, називають пороговою (Uп). Стоковий струм тим вищий, чим більшим є індукований в каналі заряд і, відповідно, більшою є провідність індукованого каналу.
При роботі транзистора в підсилювальному режимі полярність напруги на стоці відносно витоку задається такою, щоб основні носії дрейфували до стоку.
Полярність напруг, які прикладаються до електродів МДН з індукованими n та p каналами при їх роботі в підсиллювальному режимі, протилежна. Для n канального транзистора на затвор подається плюс відносно витоку, на p канальний транзистор - мінус. За стік приймається той електрод транзистра, до якого дрейфують основні носії, тобто в p канальному транзисторі стік повинен бути від'ємним відносно витоку, а в n канальному - додатнім . При наявності струму стоку, як і у транзистора з керуючим p-nпереходом, за рахунок розподілення по довжині каналу падіння напруги від нуля до UСВ,канал (p-nперехід між з'єднаними каналом зонами n та зоною р) звужується у напрямку стоку. За деякого значення напруги UСВканал перекривається так, що подальше збільшення струму стоку не відбувається. Тому вихідні ВАХ ПТ з ізольованим затвором подібні до ВАХ ПТ з керуючим р-п переходом, тільки характеристики проходять вище зі збільшенням напруги UЗВ.
Рис.86. Вольтамперні характеристики МДН транзистора: вихідні (зліва) та передаточні (справа).
ПТ з вбудованим каналом. Канал між витоком та стоком можна створити технологічним шляхом на стадії виготовлення МДН транзистора (наприклад, увівши відповідну домішку), такі транзистори називають транзисторами з вбудованим каналом. У ПТ з вбудованим каналом зони n-типу з'єднано перетинкою - тонким шаром n-типу. На місці бази p-напівпровідник, в якому знаходяться зони підвищеної провідності N+, які є стоком і витоком. Між ними тонкий напівпровідниковий пласт, який є n-канал. Якщо напруга затвора нульова, тоді йде через канал струм середньої величини. Якщо напруга затвора позитивна, тоді утворюється під каналом електричне поле, яке заштовхує електрони до каналу. Канал міняється на збагачений зарядами, його опір зменшується і струм стоку збільшується. Це називається збагаченим режимом. Якщо напруга негативна, тоді електрони з каналу виштовхуються. Канал міняється на збіднений зарядами, опір збільшується і струм стоку зменшується. Це називається збідненим режимом.В результаті канал під дією напруги UЗВможе як розширюватись, так і звужуватись (до повного змикання) залежно від знаку UЗВ . В цьому стані вихідні струми транзистора будуть визначатись зворотніми характеристиками витік-стокових pn переходів.
Польовий транзистор з вбудованим каналом
Вихідні характеристики польового транзистора з ізольованим затвором мають наступний вигляд рисунок 8, а).
Рисунок 8 – Стокова (а) і стокозатворна (б) характеристики польового транзистора з ізольованим каналом
Розходження характеристик польового транзистора з ізольованим затвором від характеристик транзистора з n-p переходом полягає лише в тім, що транзистори з р -n переходами можуть працювати тільки в режимі збідніння (звуження) каналу, а транзистори типу МДН (чи МОН) працюють як у режимі збідніння (при негативних напругах на затворі), так і в режимі збагачення (при позитивних напругах на затворі). По цій же причині стокозатворна характеристика транзистора з ізольованим затвором може захоплювати область позитивних напруг між затвором і джерелом (мал. 8, б).
До найважливіших переваг польових транзисторів варто віднести:
1. Високий вхідний опір, що досягає в канальних транзисторах з р-n переходами величини 106—109 Ом, а в транзисторах з ізольованим затвором 1013—1015 Ом. Таке високе значення вхідного опору пояснюється тим, що в транзисторах з р-n переходами електронно – дірковий перехід між затвором і витоком включений в зворотному напрямку, а в транзисторах з ізольованим затвором вхідний опір визначається дуже великим опором витоку діелектричного шару.
2. Малий рівень власних шумів, тому що в польових транзисторах, на відміну від біполярних, у переносі струму беруть участь заряди тільки одного знаку, що виключає появу рекомбінаційного шуму.
3 Висока стійкість проти температурних і радіоактивних впливів.
4 Висока щільність розташування елементів при використанні приладів в інтегральних схемах.