2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (моп-транзисторы)

2.2.1. Общие сведения

М  металл, П  полупроводник, Д(O)  диэлектрик (в современных интегральных схемах в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO₂, отсюда и название  МОП).

Слово IGFET означает полевой транзистор с изолированным затвором. Раньше эти транзисторы иногда называли MOSFET, что не меняло сути, а звучало как полевой затвор со структурой «металл-окисел-полупроводник». Демонстрация принципа действия первого полевого транзистора произошла в начале 30-х годов, когда было предложено использование поверхностного полевого эффекта.

В 1960 году был создан первый кремниевый МОП-транзистор (учёные Танг и Аттала). В качестве диэлектрика был применён термический окисел кремния (SiO₂). В современных ИС толщина диэлектрика в МОП-транзисторах d ≈ 0,002…0,05 мкм.

Полевой МОП-транзистор является фактически главным элементом в современных цифровых микросхемах. Его главным достоинством является почти безукоризненная работа в качестве электронного ключа и незначительное количество паразитных эффектов. Кроме того, МОП-транзисторы обеспечивают высокую плотность интеграции при изготовлении сложных интегральных схем (ИС): они не нуждаются в изоляционных слоях, так как в таких транзисторах затвор отделён от канала диэлектриком.

Полевой МОП-транзистор ─ это прибор с четырьмя выводами (затвор, исток, сток, подложка).

Индуцированный p-канал	Индуцированный n-канал
Встроенный p-канал	Встроенный n -канал

Рис.4.5. Схемное изображение полевых транзисторов с индуцированным и встроенным каналами в виде 4-полюсных приборов

Четвёртым выводом у МОП-транзистора является подложка.

На рис.4.5. показано условное схемное изображение МОП-транзисторов с разным типом проводимости каналов в виде 4-полюсных приборов. Поскольку функция подложки вторична, то её не всегда вносят в обозначение МОП-транзистора в схемах (предполагается, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питания). В этом случае МОП-транзистор изображается как 3-полюсный прибор (рис.4.6).

И если четвёртый вывод не показан на схеме, то это значит, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питания

В зависимости от типа канала различают МОП-транзисторы с n-каналом и p-каналом. При n-канале используется подложка p-типа, при p-канале ─ подложка n-типа. В n-канале ток переносится электронами, а в p-канале ─ дырками. Транзисторы, в технологии которых используются каналы обоих типов (рис.4.7), получили название комплементарных или дополняющих транзисторов (КМОП-транзисторы).

Рис.4.6. МОП-транзистор в виде 3-полюсного прибора

Рис.4.7. КМОП-транзистор

В современных интегральных схемах (ИС) преимущество отдаётся МОП-транзисторам с n-каналом: они более технологичны, поэтому в предлагаемой теоретической части курса о полевых транзисторах с изолированным затвором основное внимание будет уделено МОП-транзисторам с n-каналом.

В основе классификации МОП-транзисторов лежат две конструктивные особенности  индуцированный канал и встроенный каналы (рис.4.8 и рис.4.9 соответственно).

2.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом

На рис.4.8. дана структура МОП-транзистора с индуцированным (наведённым) n-каналом на подложке p-типа. Области стока и истока имеют повышенную концентрацию донорной примеси, а подложка легируется примесью слабо.

Металлический затвор отделён от канала диоксидом кремния (SiO₂). Выводы от истока, истока, затвора выполнены на основе омического (невыпрямляющего) контакта «Металл-полупроводник». На рис.4.8. подложка показана как самостоятельный вывод. На самом деле её обычно соединяют с истоком. Области стока и истока на границе с подложкой p-типа образуют два, встречно включенных перехода.

Рис.4.8. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

Рис.4.9. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Если подать напряжение питания в цепь стока, а на затворе U_зи = 0, то ток в канале будет отсутствовать (за исключением тока неосновных носителей обратносмещённых переходов).

Если на затвор подать отрицательное напряжение, а на стоке сохранить положительное, то тока всё равно не будет: канал между стоком и истоком заполнится положительными зарядами, подтянутыми из p-подложки электрическим полем затвора.

Если на затвор подать положительное напряжение, то под действием ускоряющего поля затвора в приповерхностный слой начнут подтягиваться носители n-типа. Уровень напряжения на затворе, при котором в канале появляется проводимость, называется пороговым напряжением. Обозначим его через U₀. При U_зи ≈ 2U₀ образуется токопроводящий канал (индуцированный), который соединит области стока и истока, и ток стока достигнет своего номинального значения. При снятии напряжения с затвора токопроводящий канал исчезает. Представим, что мы выполнили ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) на МОП-транзисторах с индуцированным каналом. Той информации, которую мы поместили в ПЗУ, необходим «электрический сторож» и, если питание по техническим причинам исчезнет, то и информация будет утеряна.

Рис.4.10. Стокозатворная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом

Рис.4.11. Стоковые ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом

Вывод. Рабочий режим МОП-транзистора с индуцированным n-каналом возможен только при положительном напряжении на затворе, когда канал обогащается носителями n-типа, то есть такие транзисторы работают только в режиме обогащения (рис.4.10).

На рис.4.11. представлено семейство стоковых ВАХ транзистора с индуцированным каналом. Крутой участок стоковых ВАХ используется в ключевом режиме, а пологие участки ─ для линейных усилительных каскадов.

Использование в ключевом режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на выходе открытого до насыщения транзисторе.

При инженерном проектировании усилительных каскадов достаточную точность расчета обеспечивает следующая аппроксимация вольт-амперных характеристик:

а) для крутых участков ВАХ, где U_си < U_зи  U_o, ток стока является функцией двух напряжений:

(4.9)

где b  удельная крутизна МОП-транзистора, мА/В²

(4.10)

где С_o  удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника (затвор-канал), определяет управляющую способность затвора, пФ/мм²

(4.11)

где d  толщина диэлектрика.

Ключевые схемы работают на крутых участках ВАХ, то есть при очень малом остаточном напряжении на открытом МОП-транзисторе (порядка 0,1 В и меньше), следовательно, справедливо выражение U_си << (U_зи  U_о), а потому в формуле (4.9) можно пренебречь квадратичным членом, в результате чего она принимает вид

(4.12)

Сопротивление канала

R₀ = 1 / b(U_зи  U₀). (4.13)

Как видно из (4.13) сопротивление канала можно регулировать в широких пределах, изменяя напряжение на затворе

При U_си > U_син ток стока остается без изменения: I_с = I_сн, поэтому, подставив в формулу (4.9) значение , получим выражение (4.14) для пологих участков ВАХ

б) для пологих участков ВАХ

(4.14)

Из выражения (4.13) можно получить значение крутизны МОП-транзистора

S = b(U_зи  U₀). (4.15)

За номинальный ток МДП-транзистора принимается ток, соответствующий напряжению на затворе U_зи  2U_o, следовательно, S = bU₀, а ток

. (4.16)

При номинальном токе через транзистор напряжение насыщения стока U_си.н = U_о.

Преимуществом МОП-транзисторов перед канальными является более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной его канала.

Недостатком МОП-транзисторов в сравнении с канальными является наличие шумовых флуктуаций, и нестабильность характеристик во времени. У канальных транзисторов этот недостаток отсутствует, так как у них канал отделен от поверхности обедненным слоем, что гарантирует отсутствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений, поверхностных каналов  все то, что у МОП транзисторов является причиной шумовых флуктуаций и нестабильности характеристик.

2.2.3. МОП-транзистор со встроенным каналом

В таких транзисторах канал встраивается заранее (рис.4.9). Дело в том, что в диэлектрике содержится какое-то количество примесей-диффузантов.

Если концентрация электронов, поступившая из диэлектрика, очень высокая, то в подложке p-типа между стоком и истоком образуется n-канал, но он возникает при Uзи = 0, следовательно, такой канал уже нельзя называть индуцированным, и транзистор в этом случае принято называть МОП-транзистором со встроенным каналом (встроенным заранее). Технологически встроенный канал получают с помощью ионного легирования в виде тонкого приповерхностного слоя.

а)

б)

рис.4.12. Стокозатворные(а) и стоковые (б) ВАХ МОП-транзистора со встроенным каналом

Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения на затворе, то есть в режиме и обогащения, и обеднения канала носителями (рис.4.12).

2.2.4. В заключение о полевых МОП-транзисторах немного остановимся на силовых полевых транзисторах и эффекте Миллера.

Полевые транзисторы долго оставались маломощными. Первые образцы силовых полевых транзисторов появились в 70-годы. Материал, используемый для изготовления силовых полевых транзисторов ─ кремний, но уже появились подобные разработки, выполненные на основе арсенида галлия.

В настоящее время силовые полевые транзисторы широко используются в качестве основы интеллектуальных силовых интегральных схем. Силовые транзисторы имеют гораздо меньшую длину канала, что позволяет заметно уменьшить сопротивление канала. Высокая теплостойкость силовых транзисторов объясняется способностью канала увеличивать своё сопротивление при увеличении температуры. За счёт такого свойства практически устраняется саморазогрев и явление вторичного пробоя (область безопасной работы силового полевого транзистора расширяется), с чем пока не справляется биполярный транзистор. За счёт этого уникального свойства допускается параллельное включение силовых полевых транзисторов.

Силовые полевые транзисторы, как и биполярные, обычно работают в ключевом режиме. В ключевом режиме транзистора на его переключающие свойства большое влияние оказывают ёмкости С_зс и С_зи (рис.4.13). Особенно вредное влияние на отпирание и запирание транзистора оказывает проходная ёмкость С_зс; ёмкость С_сз является проходной ёмкостью, так как она связывает выходную цепь с входной (рис.4.13).

Прежде всего, рассмотрим влияние входной ёмкости С_зи на процесс отпирания транзистора (рис.4.14).

. Рис.4.13

Рис.4.14

При подаче на вход схемы запускающего сигнала, наблюдается запаздывание отпирания транзистора. Это связано с процессом заряда входной ёмкости С_из до уровня, при котором транзистор будет способен открыться. Заряд ёмкости С_из происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = r_ист С_из, и, чем больше ёмкость С_из, тем медленнее будет отпираться транзистор. Но ещё и проходная ёмкость С_сз будет влияет на процесс заряда входной ёмкости, увеличивая её, в результате схема приобретает серьёзные негативные свойства.

Рассмотрим более подробно влияние проходной ёмкости С_сз на процесс заряда ёмкости С_из.

Напряжение на участке «исток-сток» U_си = Е_с - I_cR_c. При увеличении тока нагрузки в цепи стока уменьшается напряжение U_си, а напряжение «исток-затвор» (U_из) увеличивается. Проходная ёмкость С_сз разряжается, и ток разряда этой ёмкости препятствует росту напряжения U_из. Следовательно, процесс заряда входной ёмкости С_из затягивается, и напряжение U_из будет увеличиваться значительно медленнее, что повлияет на процесс отпирания транзистора. При запирании транзистора проходная ёмкость также будет влиять, замедляя процесс его выключения.

Для количественной оценки степени влияния проходной ёмкости вычисляют эквивалентную входную ёмкость

где «К»─ коэффициент усиления по напряжению. Таким образом, из-за влияния проходной ёмкости происходит увеличение эквивалентной входной ёмкости. Это явление получило название эффект Миллера. Сущность эффекта Миллера состоит в том, что эквивалентная входная проводимость активного четырёхполюсника, обусловленная обратной связью, отличается от реальной проводимости, включенной в цепь обратной связи. За счёт эффекта Миллера замедляется переключение транзистора и увеличивается ток, который, достигнув определённого предела, нарушает работу источника входного сигнала.