Выполнили студенты группы Никитин Н.Н. Дроздов А. В.

История создания Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов полевых транзисторов с барьером Шоттки была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Область применения полевых транзисторов Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах. За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов). Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Общие сведения о полевых транзисторах Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей, протекающих через канал, управляется электрическим полем. Основа такого транзистора - созданный в полупроводнике и снабжённый двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n - или p - типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод - затвор, соединённый с его средней частью p - n переходом.

Общие сведения о полевых транзисторах К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми. По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом. В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа - электронной.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) Полевой транзистор с изолированным затвором это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO 2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором. МДП транзистор с индуцированным каналом МДП транзистор со встроенным каналом

МДП транзисторы с индуцированным каналом Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения - канала нет, транзистор находится в состоянии «закрыто».

МДП транзисторы с индуцированным каналом Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация дырок превысит концентрацию электронов, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал p-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока.

МДП - транзистор с индуцированным каналом p-типа Семейство стоковых характеристик Cтоко-затворная характеристика

МДП-транзисторы со встроенным каналом В МДП-транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет электрического поля, а технологическим путем. В этом случае мы также напряжением на затворе управляем проводимостью этого канала, причем в более широком интервале значений Uзи, поскольку такой канал существует и при нулевом напряжении на затворе. Для МДП-транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение отсечки. Напряжение отсечки – это напряжение на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи сток – исток стремится к нулю.

МДП-транзисторы со встроенным каналом Транзисторы со встроенным каналом работают при обеих полярностях напряжения на затворе: при отрицательной полярности канал обогащается носителями (для p-канального транзистора) и ток стока увеличивается, при положительной полярности канал обедняется дырками (для p-канального транзистора) и ток уменьшется. Для n-канального транзистора полярности противоположные.

Область отсечки По мере роста напряжения исток сток V DS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд носителей в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию: Это уравнение является ВАХ МДП-транзистора в области отсечки.

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.