3.5. Структура и механизм работы мдп-транзистора

Наиболее эффективным способом управления значением поверхностного электростатического потенциала( а также и значением пов. проводимости Gs и емкости пространственного заряда полупроводника Gsp) является приложенное к п-ку перп. к пов-ти электрич. поле. Это достигается просто в структуре, где полупроводник служит одной из обкладок конденсатора, отделенной от второй обкладки – металлического электрода – слоем диэлектрика. Это и есть МДП структура.

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсии. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т. е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения.

Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока.

Работа полевых транзисторов основана на, использовании носителей заряда только одного типа - основных( либо электронов, либо дырок), а основным способом жвижения носителей заряда является дрейф в электрическом поле.

Бывают полевые транзисторы 2х видов: с управляющим р-п переходом и со структурой МДП.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Транзисторы, использующие такие слои называют канальными.

Металлический электрод создающий эффект поля называют Затвором, 2 других электрода – Стоком и Истоком.

Исток – электрод, через который носители заряда втекают.Сток – электрод, через который носители заряда вытекают.Затвор используют для подачи электро-сигнала и управления величиной тока в проводящем канале, протекающем от Истока к Стоку. Если канал n-типа, то рабочие носители – электроны и полярность Стока положительная.Исток обычно соединяют с основой полупроводника – подложкой.

Проводящие каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина индуцированного канала практически неизменна – 1-5 мкм, поэтому модуляция его проводимости обусловлена изменением концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется проводящий канал называют Пороговым.

Подложку у МДП транзисторов обычно делают из материала с высоким удельным сопротивлением, чтоб облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока.В МДП транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет эл. поля , а технологическим путем. И при помощи напряжения на затворе можно управлять проводимостью канала.

Для МДП транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжения осечки – это напряжения на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи Исто-Сток стремится к 0.

Транзисторы со встроенным каналом работают при обеих полярностях на затворе: при отрицательной полярности канал обедняется носителями(для n канального транзистора) и ток стока уменьшается, при положительной – канал обогащаетсяэлектронами(для n канального транзистора) и ток увеличивается. Для p канального транзистора полярности противоположные. Встроенный канал обычно выполняют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования.

На рис. 14.25 показана схема МДП‑транзистора с индуцированным p‑каналом в равновесных условиях (V_DS = 0) при нулевом напряжении на затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.

Рис. . МДП‑транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях: а – напряжение на затворе отсутствует VG = 0; б – напряжение на затворе больше порогового напряжения VG > VT (VG < 0)

Напомним, что транзисторный эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном изменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи «исток – канал – сток» I_DS обусловлен только одним типом носителей, т. е., действительно, МДП‑транзистор является униполярным прибором. Поскольку области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток канала, а только обеспечивают контакт к области канала.

Таким образом, МДП‑транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», т. к. слово «transistor» образовано от двух английских слов – «transfer» и «resistor», что переводится как «преобразующий сопротивление».