.

Полевые транзисторы со структурой «металл - диэлектрик - полупроводник»

 Исследования показали, что управлять проводимостью тонкой полупроводниковой пластины можно и с по­мощью проводящего электрода — затвора, расположенно­го очень близко от пластины (расстояние в доли микрона). Для получения такого малого расстояния между затвором и полупроводниковой областью располагается тонкий слой диэлектрика. Поэтому эти приборы называют полевыми транзисторами МДП-типа (от первых букв полного назва­ния «металл — диэлектрик — полупроводник»). За рубежом популярно несколько иное название: приборы MOS-типа - от названия структуры «металл - окисел — полу­проводник», в которой окисел кремния играет роль ди­электрика под затвором.

 В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором. ПТ являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как их работа основана на дрейфе носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал n- или p-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Поэтому такие транзисторы называются полевыми. Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся на ПТ с каналом p-типа и n-типа. Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа электронной. Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно полупроводника, то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации. Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются вниз. Hа рисунке показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника изгиб зон у поверхности середина запрещенной зоны. Из рисунка видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок как и должно быть у n-полупроводников.

В поверхностном слое объемного заряда происходит искривление зон и расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается. Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys. Тогда при формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая обеднение, инверсия и обогащение этой области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа представлены на рис. Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока. Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого, концентрация не основных носителей заряда дырок у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными. К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения. Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными.

В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем. На рис. схематически показана структура МДП-транзистора с изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния например n-типа, у поверхности которого диффузией или ионной имплантацией в окна в оксиде формируются р-области, как показано на рис. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и n-областями возникают два р-n-перехода - истоковый и стоковый, которые на рисунке. показаны штриховкой. Hа рис. приведена схема включения транзистора в цепь к истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения, к затвору - минус источника.

Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении называемом пороговым к образованию инверсионной области, соединяющей p-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым резистором. Однако сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается. Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной. При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока. При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается к истоку. Перекрытие канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым. Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.

Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока практически насыщается. Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе во входной цепи можно управлять током стока током в выходной цепи. Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника. На границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела полупроводник - диэллектрик оксид. На реальных границах раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки. Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния.

Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой плотностью состояний границы раздела. В самом оксиде кремния всегда существует положительный встроенный заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае p-подложки. Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является чисто емкостным. Входная емкость образуется затвором и не перекрытой частью канала со стороны истока. Так как для заряда этой емкости ток должен протекать через не перекрытую часть канала с сопротивлением, то собственная постоянная времени транзистора равна. Это время, однако, очень мало, и в интегральных схемах, применяемых, например, в цифровой вычислительной технике, длительность переходных процессов определяется не им, а паразитными емкостями схемы и входными емкостями других транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствие этого при изготовлении таких схем стремятся сделать входную емкость как можно меньшей за счет уменьшения длинны канала и строгого совмещения границ затвора с границами стока и истока. При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при проколе базы биполярного транзистора. 

ВАХ и передаточные характеристики таких транзис­торов напоминают характеристики пентодов. Но гово­рить о входной характеристике МДП-транзистора не имеет смысла — входной ток практически равен нулю (или ничтожно мал из-за утечек) при любой полярности напряжения на затворе. Это, кстати говоря, полностью исключает нелинейные искажения, связанные с нели­нейностью входной характеристики.

Полевые МДП- транзисторы могут быть двух классов с n-канальным затвором и р-канальным. То есть, как и биполярные транзисторы, они являются комплементарны­ми приборами, отличающимися противоположной поляр­ностью всех напряжений и токов. Кроме того, приборы могут иметь встроенный проводящий канал (т. е. они нормально открыты) или индуцированный затвором канал (такие приборы нормально закрыты). На основе интеграции многих сотен и тысяч элементарных МДП-структур были созданы мощные МДП-транзисторы с рабочими напряжениями до 800—1000В и рабочими токами от единиц до десятков ампер. Мощные МДП-транзисторы имеют различные конструкции. Есть прибо­ры с V-образной канавкой, или VMOS-типа, приборы фирмы Siemens с особой структурой SIMPMOS и т. д.

Полевые транзисторы не только имеют «ламповые» характеристики и высокое входное сопротивление. Они имеют квадратичный участок передаточной характеристики, порой переходящий в довольно протяженный линейности участок. ВАХ полевых транзисторов характерны  плавными перегибами, что способствует уменьшению нели­нейных искажений при перегрузках. Отсутствие явления накопления избыточных зарядов в структуре и высокое быстродействие уменьшают динамические искажения при перегрузке усилителей на таких приборах. По такому важному параметру, как добротность (от­ношение крутизны S к суммарной емкости электродов С0) мощные полевые транзисторы намного превосходят луч­шие типы электронных ламп. И по энергетическим показателям эти приборы сейчас заметно превосходят приме­няемые в бытовых устройствах приемно-усилительные пампы. Не случайно, что многие усилители мощности класса Hi-Fi и High-End выполняются в последние годы на мощных полевых транзисторах, а самые престижные мо­дели вообще целиком строятся на полевых транзисторах.