4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Эффект поля и поверхностная проводимость. В поле­вых транзисторах с изолированным затвором поперечное электрическое поле прикладывается к металлическому электроду, отделенному от полупроводника слоем ди­электрика. Рассмотрим энергетическую диаграмму струк­туры металл (М)—диэлектрик (Д) — полупроводник (П), сокращенно называемой МДП (рис. 4.4). Для про­стоты будем считать, что термодинамические работы вы­хода металла и полупроводника одинаковые и контакт­ная разность потенциалов между ними равна нулю. Так как уровень Ферми во всей системе одинаков, то энерге­тическая диаграмма имеет вид, показанный на рис. 4.4,а. Такую структуру можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого являются металл и полупроводник n-типа. При приложении к конденсатору внешнего на­пряжения V₃ такой полярности, что металл заряжается положительно (рис. 4.4,6), на границе полупроводника с диэлектриком появится индуцированный отрицатель­ный заряд. Отрицательный заряд возникает за счет обо­гащения приповерхностной области полупроводника электронами, притянутыми из объема внешним положи­тельным зарядом.

В диэлектрике подвижных электрических зарядов нет, поэтому напряженность электрического поля одина­кова во всех точках и распределение потенциала V_д ли­нейно.

В полупроводнике концентрация избыточных носите­лей уменьшается до нуля в глубине объема. Такое рас­пределение пространственного отрицательного заряда создает в приповерхностной области электрическое поле, направленное навстречу внешнему и экранирующее его. Электрическое поле изменяет потенциальную энергию электронов у поверхности, в данном случае уменьшает ее, что приводит к изгибу зон на величину qV_п0, где V_п — потенциал поля в по­лупроводнике. При малом искривлении зон, когда V_п0<<.kT/q, потенциал спа­дает в глубь полупровод­ника по закону

V_п  = V_п0 ехр (—х/L_д),  где 
   — дебаевская  длина экранирования.

Вследствие увеличения концентрации электронов у поверхности увеличивается поверхностная проводи­мость полупроводника. Ес­ли работа выхода электро­нов из металла и работа выхода электронов из полу­проводника не равны, то контактная разность потен­циалов просто суммируется с внешним напряжением.

При смене полярности внешнего напряжения в по­лупроводнике индуцируется положительный заряд (рис. 4.4,в), образуемый в резуль­тате оттеснения электронов от поверхности в глубь по­лупроводника. Электриче­ское поле теперь направле­но в противоположную сто­рону, следовательно, потен­циальная энергия электро­нов у поверхности увеличивается, и края зон загибаются вверх. Так как положение уровня Ферми не изменяется, то при изгибе зон вниз он приближается к дну зоны проводимости у поверхности, что соответствует увеличе­нию концентрации электронов, а при изгибе зон вверх уровень Ферми удаляется от дна зоны проводимости, что соответствует уменьшению концентрации электронов у поверхности.

При достаточном внешнем напряжении уровень Фер­ми у поверхности может оказаться ниже середины за­прещенной зоны Eg/2, а это значит, что у поверхности будет больше дырок, чем электронов, т. е. знак проводи­мости у поверхности изменится на противоположный и образуется слой p-типа (d на рис. 4.4,в). Такое состоя­ние называется инверсией поверхностной проводимости.

Таким образом, в зависимости от знака и величины внешнего напряжения поверхностная проводимость мо­жет уменьшаться, увеличиваться, а также менять знак носителей заряда. Изменение поверхностной проводи­мости полупроводника, являющегося одной из обкладок конденсатора, при изменении напряжения на нем на­зывается «эффектом поля». Это явление и используется в полевых транзисторах с изолированным затвором, на­зываемых по типу структуры МДП-транзисторами. Иног­да их называют и МОП-транзисторами (металл—оки­сел—полупроводник), если в качестве диэлектрика ис­пользуется окисел полупроводника.

 

Рис. 4.4. Энергетическая диа­грамма МДП-структуры без внешнего напряжения (а) и с внешним напряжением (б, в)

 

 

 

Конструкции МДП-транзисторов и их основные ха­рактеристики. В настоящее время существует два типа МДП-транзисторов: со встроенным и с инверсным кана­лом. Первый тип транзистора показан на рис. 4.5,а. В подложке p-типа диффузией создается канал n-типа и две области n⁺-типа, являющиеся контактами к кон­цам канала и соответственно называемые истоком и сто­ком. Затем полупроводниковая пластина покрывается слоем диэлектрика. В местах над n⁺-областями диэлектрик химически вытравливают и в образовавшиеся окна наносят металлические контакты к n⁺-областям. Поверх диэлектрика над каналом создается металлический элек­трод, являющийся затвором. МДП-транзисторы изготав­ливают в основном на основе кремния, так как слой ди­электрика на нем создается простым окислением крем­ния (SiO₂). Схема включения МДП-транзистора с общим истоком подобна схеме включения полевого транзистора с p-n-переходом (рис. 4.1,а). МДП-транзистор со встроенным каналом может работать при любой поляр­ности напряжения на затворе. При положительном на­пряжении область канала обогащается электронами и его сопротивление уменьшается, при отрицательном на­оборот. Соответственно меняется ток между истоком и стоком.

Рис. 4.5. Конструкции МДП- транзисторов со встроенным (а) и инверсным (б) каналами и модель для расчета (в)

В конструкции МДП-транзистора с инверсным кана­лом (рис. 4.5,б) диффузионная область n-типа отсутст­вует. При отсутствии напряжения на затворе n⁺-контак­ты разъединены областью p-типа и ток между ними не протекает. Если напряжение на затворе положительное, то концентрация дырок у поверхности уменьшается и при достаточной величине V₃ электронов у поверхности может стать больше, чем дырок, т. е. произойдет инвер­сия типа электропроводности полупроводника. Вследст­вие этого на поверхности образуется канал n-типа про­водимости и между истоком и стоком протекает ток. Очевидно, МДП-транзистор с индуцированным каналом работает только при одной полярности напряжения на затворе в отличие от транзистора со встроенным ка­налом.

Подложка, на которой изготавливается МДП-транзистор, имеет противоположный каналу тип проводимос­ти (рис. 4.5,а—p-тип). При подаче на нее обратного смещения она действует как затвор в полевом транзисторе с p-n-переходом. Изменяя постоянное напряжение на подложке, можно менять начальную ширину канала, а следовательно, сдвигать величину напряжения отсечки металлического затвора. Обычно влияние подложки не­велико, так как n>>p, и при изменении напряжения на подложке в основном меняется ширина области объем­ного заряда в самой подложке. В типичных конструк­циях МДП-транзисторов подложка всегда соединена с истоком.

Рассмотренные конструкции МДП-транзисторов изго­тавливаются при помощи диффузии. Недостатком такой технологии является то, что при изготовлении интегральных схем на МДП-транзисторах проводящая полупро­водниковая подложка является общей для всех элемен­тов. Этого недостатка лишена тонкопленочная технология изготовления МДП-транзисторов. Элементы МДП- транзистора создаются по этой технологии поочередным нанесением слоев полупроводника, диэлектрика и т. д. на диэлектрическую подложку (рис. 4.6), например стекло. Преимуществом такой технологии является пол­ная электрическая изоляция отдельных приборов. Одна­ко технология изготовления тонкопленочных МДП-тран­зисторов в настоящее время очень несовершенна. Напри­мер, при нанесении слоев методом вакуумного напыления полупроводниковый слой обычно получается поликри­сталлическим. Поскольку его электрофизические пара­метры значительно хуже, чем монокристаллического по­лупроводника, то параметры такого тонкопленочного МДП-транзистора также хуже.

 

      

    Рис. 4.6. Тонкопленочный МДП- транзистор

 

 

 

 

Преимущества и недостатки полевых транзисторов.

МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисторов с p-n-переходом еще большей величиной входного со­противления, а также тем, что могут работать при обеих полярностях входного напряжения.

Параметры полевых транзисторов гораздо мень­ше изменяются с температурой, чем параметры би­полярных транзисторов. Это обусловлено тем, что поле­вые транзисторы работают на основных носителях, кон­центрация которых в примесных полупроводниках в за­висимости от температуры практически не меняется (за исключением области очень низких температур).

Изменение параметров полевых транзисторов с изме­нением температуры обусловлено уменьшением подвиж­ности носителей заряда µ и изменением заряда на по­верхностных уровнях. С ростом температуры электроны, захваченные на поверхностных уровнях, переходят в зону проводимости и вызывают увеличение I_с. Уменьшение подвижности приводит к уменьшению I_с.

Работа на основных носителях обеспечивает и боль­шую радиационную стойкость полевых транзисторов. Наибольшее число повреждений в полупроводнике возникает под воздействием потоков протонов и нейтронов. При облучении полупроводника потоком быстрых про­тонов или нейтронов происходят их упругие соударения с ядрами атомов. В результате этого атомы смещаются из узлов кристаллической решетки в междоузлия и об­разуются вакансии. Смещенные атомы действуют как ловушки, центры рекомбинации или центры рассеяния. При этом уменьшается концентрация или подвижность основных носителей, что приво­дит к уменьшению электропро­водности.

Одновременно происходит уменьшение времени жизни не­основных носителей. Поскольку полевые транзисторы нечувстви­тельны к изменению времени жизни неосновных носителей, их параметры меньше меняются при действии радиации, чем парамет­ры биполярных транзисторов. Из полевых транзисторов более ста­бильны по отношению к радиа­ции МДП-транзисторы. Это обу­словлено тем, что у полевых тран­зисторов с p-n-переходом, кроме проводимости канала, меняется еще и обратный ток p-n-перехо­да, а соответственно и входное сопротивление. Дополнительную стойкость к радиации в МДП- транзисторах создает экраниров­ка области канала металличе­ским электродом затвора.

Рис.4.7.Включение полевого транзистора с р—n-переходом (а) и МДП-транзистора (б) при использовании их для стабилизации тока. Вольт-амперная характе­ристика МДП транзи­стора с соединенными затвором и стоком (в)

 

     Полевые транзисторы можно использовать не только в качестве усилительных приборов. Например, полевой транзистор с затвором, соединенным с истоком, часто используют в качестве стабилизатора тока (рис. 4.7, канал n-типа, в  МДП-транзисторе подложка соединена с истоком). Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов в таком включении показаны на рис. 4.2 (V₃=0). Стабилизация тока происходит на участке насыщения, где ток не зависит от напряжения. Полевые транзисторы, изготавливаемые специально в качестве стабилизаторов тока, называют «карренторы» (от английского current, что означает — ток). Затвор в них соединяется с истоком внутри корпуса и наружу выходят только два вывода.

В интегральных схемах на МДП-транзисторах часто необходимо использовать диод. Для этой цели может использоваться МДП-транзистор с индуцированным ка­налом и с затвором, соединенным со стоком (V₃=V_c, рис. 4.5, б). При отрицательном напряжении на затво­ре — стоке концентрация дырок в р-области становится еще больше и проводимость между истоком и стоком остается равной нулю. При положительном напряжении концентрация дырок уменьшается и при определенном напряжении произойдет инверсия поверхностной прово­димости, т. е. образуется инверсионный канал n-типа. Проводимость между истоком и стоком, а соответствен­но и ток резко увеличиваются (рис. 4.18,в).