Моп металл оксид полупроводник

Обновлено: 16.05.2024

Основой МОП (металл – оксид - полупроводник) транзистора является кремниевая подложка с проводимостью p- или n- типа (рис. 5.5). На подложке на малом расстоянии друг от друга созданы две области - истока и стока с проводимостью, противоположной проводимости материала подложки. Между стоком и истоком над поверхностью расположена металлическая пленка - затвор, изолированная от подложки тонким слоем диэлектрика - диоксида кремния SiO₂. Отсюда и другие названия приборов этого класса: МДП-транзисторы или транзисторы с изолированным затвором.

Участок подложки под затвором между истоком и стоком образует проводящий канал. Работа МОП транзистора основана на изменении концентрации свободных носителей заряда в канале под влиянием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между затвором и истоком. Для этих приборов характерна взаимозаменяемость стока и истока, т. е. ток в канале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности напряжения, приложенного к каналу.

В зависимости от устройства канала проводимости различают МОП транзисторы со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Это в равной мере относится к приборам p- и n- типа. У транзисторов со встроенным каналом канал является элементом конструкции, а у приборов с индуцированным каналом канал, как таковой, отсутствует: он наводится внешним напряжением.

Напряжение питания подают на сток и исток. У транзисторов с каналом n-типа сток должен иметь положительный потенциал относительно истока. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, то напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже, чем у истока n – канального и выше чем у p – канального МОП – транзистора. Вывод подложки в большинстве случаев соединяют с истоком.

МОП - транзисторы со встроенным каналом находят применение в аналоговой технике. В дискретной технике употребляется МОП - транзистор с индуцированным каналом.

На рис.6 изображены передаточные характеристики МОП транзисторов со встроенным и индуцированным каналами для n - и p - типов. Эти характеристики показывают зависимость тока стока (канала) транзистора от напряжения затвор - исток. Выходные характеристики МОП – транзистора подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.

У МОП – транзистора затвор может иметь любую полярность о относительно истока; при этом тока затвора не будет, поскольку затвор гальванически не связан с цепью сток – исток.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом аналогичны характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.

Рассмотрим подробнее работу транзистора с индуцированным каналом n-типа. При включении транзистора напряжение на стоке должно быть одной полярности с напряжением на затворе, при котором образуется канал проводимости. Когда на затворе нулевое напряжение, ток в цепи сток - исток отсутствует, так как обе эти области электрически изолированы друг от друга. Когда к затвору транзистора приложено положительное напряжение, в слое полупроводника подложки под затвором происходит инверсия типа проводимости поверхностного слоя между истоком и стоком за счет концентрации свободных электронов.

С ростом положительного смещения на затворе наступает момент, когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в материале подложки p - типа образуется тонкий инверсный слой n - типа. Этот слой становится токопроводящим каналом между n- областями истока и стока.

Напряжение затвор - исток, при котором возникает канал и в цепи сток - исток появляется ток, называется пороговым U_пор. Пороговое напряжение лежит в пределах 1,5 - 3 В.

Канал в транзисторах p- типа формируется сходным образом с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются местами. МОП - транзисторы с наведенным каналом часто называют транзистором с обогащением.

Полупроводник InGaAs как альтернатива кремнию

С 1960-го года структура транзисторов, созданная командой Джея Ласта, практически не изменилась. Металл-Оксид-Полупроводник, сокращенно МОП-транзисторы являются основной частью современных компьютерный микрочипов. За 55 лет технологический процесс элементов компьютерных микрочипов значительно уменьшился, до 14 нм (топовый процессор Broadwell).

За все эти года было введено множество усовершенствований в производстве, структура микросхем стала расти не только в ширину/длину, но и в высоту. Теперь структура ЦПУ напоминает «мегаполис». Но за все эти годы главный компонент оставался неизменным — кремний, как и 55 лет назад так и сегодня он является основной частью микросхемы. К сожалению, а может и к счастью, это не может продолжатся вечно, у кремния есть предел, он не позволит уменьшить технологический процесс ниже 10 нм без потери производительности, так заявили инженеры корпорации Intel.

Не смотря на все это компания озвучила свои планы на будущее — достичь тех. процесса в 7 нм для своих микрочипов к 2018 году. Заявление хорошее, но сказать можно что угодно, иное дело исполнить планы. Мы это сможем узнать только через 3 года, хотя учитывая тот факт, что выпуск Broadwell откладывался несколько раз, то возможно ждать придется больше. И все же радует одно, у них есть план.

План этот прост — использовать вместо кремния иной полупроводник. Преемник кремния должен обладать большей подвижностью. Подвижность – это коэффициент пропорциональности между дрейфом носителя и внешним электрическим полем. Под дрейфом носителя подразумевается целенаправленна средняя скорость движения электрона под действием внешнего электрического поля. Подвижность очень важна в данной области, так как более высокое ее значение позволяет производить более плотные, быстрые микросхемы снижая их энергопотребление.

2016 год сулит нам разработку 10 нм техпроцесса производства для ЦПУ, такой тех. процесс вполне осуществим при использовании классических материалов. Но вот 2018 год обещает быть значительно интереснее, так как по словам все тех же представителей Intel, производство 7 нм микросхем применяя классический подход уже не возможно.

Перебирание различных элементов из периодической таблицы Менделеева, принесло свои плоды. Были выдвинуты различные кандидаты на роль альтернативных материалов взамен привычного всем кремния. Базовой ячейкой микропроцессоров является не одиночный транзистор, а минимум пара комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторов — сокращенно КМОП. Такие транзисторы бывают n-канальные и p-канальные. Для n-канальных транзисторов планируется использование InGaAs соединение из индия-галлия арсенида. Для p-канальных транзисторов кандидатом стал германий из IV группы, химически связанный с кремнием. Однако данный выбор не окончательный. Вышеперечисленные материалы обладают более высокой подвижностью нежели кремний.

За последние годы для Intel было проблематично придерживаться данного закона. Подтверждением этого является тот факт, что выпуск микрочипа с технологическим процессом 14 нм Broadwell откладывался несколько раз, о чем я уже упоминая ранее. На первый взгляд не очень понятно почему разработка и выпуск Broadwell был затянут, так как это по сути второе поколение микрочипов от Intel. Первый экспериментальный транзистор с технологией Tri-Gate был введен еще в 2006 году. Первенцем поколения 22 нм микрочипов с технологией Tri-Gate был Ivy Bridge, выпущенный в массовое производство в конце 2011 года.

Очевидно, что одной из проблем было увеличение числа масок в процессе фотолитографии. Это предположительно связано с проблемами применения 193 нм-ого ультрафиолетового излучения для изображения с глубиной субволны 14 нм. На протяжении многих лет разработки и совершенствования субволновой литографии было найдено множество обходных путей, которые позволили усовершенствовать различные моменты, такие как: коррекция оптической близости, фазовый переход масок, погружение в жидкости с высоким показателем преломления, и многократное воздействие, что послужило причиной увеличения числа масок.

Хотя идея и разработка экстремальной ультрафиолетовой литографии с длинной волны близкой к 13 нм зародилась еще до 2000 года, вскоре она были свернута и возобновлена лишь после появления 100 нм микросхем в первой половине 2000-х годов. На данный момент успех развития данной технологии не ожидается до начала эры 7 нм техпроцесса производства. Одной из основных проблем является поиск источника энергии для луча. Более коротковолновое излучение сильно поглощается всеми веществами. Можно думать только об использовании зеркальной оптики, размещенной в вакууме с отражением на основе межслойной интерференции. Маска (фотошаблон) также выполняется в виде отражающего элемента, а не просвечивающего. При каждом отражении зеркалом и маской поглощается значительная часть энергии луча, около 1/3. При использовании 7 зеркал будет поглощено около 94 % мощности луча, а значит экстремальной ультрафиолетовой литографии (ЭУЛ) требует мощных источников. Но так же проблема есть и в инфраструктуре работы ЭУЛ с разными масками.

Компании не удалось снизить стоимость производства микрочипов с техпроцессом производства 14 нм, но руководство придерживается мысли, что технология в текущем виде приносит больше пользы, нежели попытки ее упрощения. Экспериментальное устройство с техпроцессом в 10 нм обещает быть на 50% быстрее топового Broadwell, и задержек в его производстве не ожидается, что немаловажно.

Применение и введение в массовое производство InGaAs или иных элементов III – IV группы вызывает ряд сложностей. Первая проблема с которой приходится столкнутся это производство техники для создания InGaAs на подложках диаметром 30 см. Изготовление таких подложек имеет огромное значение для массового производства микрочипов, что в свою очередь наталкивает на простой вывод — полностью уйти от использования кремния на данный момент невозможно.

В 2013 году центр нано-электроники Imec, расположенный в Левене (Бельгия), начал эксперименты по созданию техники для производства кремниевых подложек, адаптированных под 7 нм тех. процесс производства, в которых пластины кремния в дальнейшем заменяются на пластины InGaAs. Европейский исследовательский центр также разработал аналогичный процесс замены кремниевых пластин на пластины, состоящие из германия. Другими исследователями разрабатывается иной подход — наращивание пластин из InGaAs на немного меньшем основании из фосфида индия (InP), диаметром 10 см, и дальнейший их перенос на 30 см кремниевые подложки путем прямого соединения. Однако это усложняет процесс, соответственно возрастает и стоимость конечного продукта. Такая политика делает нерентабельным чип для простого обывателя.

Так же при дальнейшем производстве транзисторов InGaAs стоит учитывать такие моменты как контакты истока/оттока. Многие экспериментальные устройства являются слишком большими для техпроцесса в 7 нм и используют некоторые материалы несовместимые с кремниевой средой.

Повышение колебания и транспроводимости

Исследователи из США и Южной Кореи озвучили рекордное сочетание допорогового колебания — 82 мВ/декаду, 0.5 В смещение оттока, транспроводимости — 1800 мкС/мкм, и на токе — 0.41 мA/мкм для КМОП-транзистор InGaAs. Эпитаксиальные структуры были выращены на полу-изоляционном соединении из индий-фосфида посредствам молекулярной лучевой эпитаксии. Эпитаксия — это контролируемое наращивание одного кристаллического материала на другом. В случаи молекулярной лучевой эпитаксии элементы испаряются при очень высокой температуре (от 400 — 800 о С), а применение сверх вакуума при давлении 10 -6 — 10 -8 Па обеспечивает оседание молекул элементов на поверхности с более низкой температурой.

Многослойная верхушка использовалась для контроля интервала между сторонами дорожек, при сочетании влажного/сухого травления. Создание массива состояло из двух процессов электроннолучевой литографии, для достижения желаемой высоты и ширины ребра затвора. Конечная высота и ширина ребра составляли 20 нм и 30 нм, соответственно.

Ворота длинной 80 нм были установлены в слое диоксида кремния (SiO₂). Изоляция состояла из 0.7 нм окиси алюминия (Al₂O₃) и 2 нм диоксида гафния (HfO₂) согласно принципу атомно-слоевого осаждение (АСO).

Изоляция оксидом-иттриума

31 марта 2015 Корейский институт науки и техники продемонстрировал InGaAs транзисторы погружённые в слой иттрий-оксида. Исследователи рассматривают InGaAs как перспективную альтернативу более сложной технологии Tri-Gate. Применение Y₂O₃ должно позволить уменьшить эквивалентную окисную толщину (ЭОТ), по сравнению с окисью алюминия на основе более высокой диэлектрической константы (16 против 9-12). Интересный факт — у воды диэлектрическая константа равна 80-и. Уменьшение ЭOT позволяет разместить затвор ближе к каналу повышая электростатический контроль.

Канал МОП транзистора был построен путем переноса слоя InGaAs, выращенного на подложке из фосфида индия (InP), на кремниевую подложку с последующим покрытием слоем Y₂O₃. Поверхность InGaAs подготавливали — удаляли естественный оксид и производили пассивацию раствором состоящим из ацетона, гидроксида-аммония и сульфида-аммония. Очищенная поверхность была покрыта 10 нм Y₂O₃, нанесенного с помощью электронно-лучевого испарения. Кремниевая подложка была также покрыта 10 нм из Y₂O₃, после очистки фтористоводородной кислотой.

Соединение вафли было достигнуто ручным давлением в воздухе. Ростовой субстрат InP и защитный слой InGaAs были удалены с помощью хлористоводородной и фосфорной кислоты, методом влажного травления. Для электродов истока и оттока были использованы никель и золото. InP был вытравлен частично в области истока и оттока, его нужно было убрать полностью, но он остается в области канала для уменьшения воздействия на поверхность, которое может повлиять на подвижность.

Заключительное устройство было подвергнуто быстрому тепловому отжигу в 300 о C. Длина затвора и канала (тела) составляла 2 мкм с толщиной 10 нм. Подпороговое колебание было 90мВ/декаду, которое было описано исследователями как “очень низкое” ввиду относительно большого EOT. Эффективная мобильность была повышена в 2.5 раза по сравнению с устройствами на основе кремния, даже без отжига. Отжиг в 300 о C увеличил эффективную подвижность до 2000 см 2 (В·с). По словам исследователей эти первые показатели могут быть улучшены с оптимизацией процесса.

Все вышеперечисленное — это эксперименты, инновации, попытки достичь новых высот. Не будем отрицать, что данный процесс может быть довольно продолжительным и сопряженным с множеством неудач и провалов. Однако, именно так и зарождаются те самые инновации, стающие со временем неотъемлемой частью нашей жизни.

Полевые транзисторы. For dummies

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
высокая температурная стабильность;
малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

МДП (МОП)-транзисторы

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП-транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП- транзисторы (структура: металл - диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов - МОП-транзисторы (структура: металл - оксид - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10 12. . 10 14 Ом).

Принцип действия МОП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МОП-транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с индуцированным каналом.

а - со встроенным каналом n-типа; б - со встроенным каналом р-типа; в - со встроенным каналом и выводом от подложки; г - с индуцированным каналом n-типа; д - с индуцированным каналом р-типа; е - с индуцированным каналом и выводом от подложки

Рисунок 2.24 - Условные обозначения МОП-транзисторов

МОП-транзисторы представляют собой четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МОП-транзисторы могут быть с каналом п- типа или р-типа. Условные обозначения МОП-транзисторов показаны на рисунке 2.24, а - е.

Рассмотрим МОП-транзистор со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисунке 2.25, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала п-типа. Слой окисла SiO₂ выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он есть) иногда присоединяют к истоку.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом п-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рисунке 2.25, б.

По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с р-п-переходом. Рассмотрим характеристику при U_зи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток - сток положительным полюсом к стоку. Поскольку U_зи = 0, то через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0 - а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость I_c (U_c_и) близка к линейной (см. рисунок 2.25, б). По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит к более существенному влиянию eгo сужения (пунктир на рисунке 2.25, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а - б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II.

а – конструкция; б - семейство стоковых характеристик; в - стоко-затворная характеристика

Рисунок 2.25 - МОП-транзистор со встроенным каналом п-типа

При подаче на затвор напряжения U_зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток I_с увеличивается. Стоковые характеристики при U_зи > 0 располагаются выше исходной кривой (U_зи = 0) (см. рисунок 2.25, в).

Для транзистора имеется предел повышения напряжения U₀ ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток - затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины U_си.пр (область III на рисунке 2.25, б). В случае U_зи < 0 напряжение U_сз увеличивается, в связи с чем, при U_зи < 0 пробой наступает при меньшем напряжении U_си.

Примерный вид стоко-затворной характеристики транзистора со встроенным каналом иллюстрируется на рисунке 2.25, в. Ее отличие от стоко-затворной характеристики транзистора с p-n-переходом (см. рисунок 2.22) обусловлено возможностью работы прибора как при U_зи < 0 (режим обеднения), так и при U_зи > 0 (режим обогащения).

Конструкция МОП-транзистора с индуцированным каналом п-типа показана на рисунке 2.26, а. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока.

Рисунок 2.26 - МОП- транзистор с индуцированным каналом п- типа

За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области стока и истока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа приведены на рисунке 2.31, б. Они близки по виду к аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости I_c(U_c_и). Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U_c_и. Ток I_c равен нулю при U_зи = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рисунке 2.26, в.

МОП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с р-п-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление r_i. Что касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МОП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-п-переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 10 12 …10 14 Ом. Значение межэлектродных емкостей составляет: для С_зи, и С_си не более 10 пФ, для С_зс не более 2 пФ. Схема замещения МОП-транзисторов аналогична схеме замещения полевых транзисторов с р-п-переходом (см. рисунок 2.23).

МОП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МОП-транзисторах обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы МОП-транзисторов на примере прибора с n-проводимостью

В схему униполярного транзистора с изолированным затвором и n-проводимостью входят:

Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.

Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.

В большинстве MOSFET исток транзистора подключается к полупроводниковой подложке. Между стоком и истоком формируется «паразитный» диод. Ликвидировать отрицательные последствия появления такого диода и даже использовать в положительных целях позволяет его подключение анодом к истоку в n-канальных полевых транзисторах, анодом к стоку – в p-канальных приборах.

Между затвором и истоком прикладывается плюсовое напряжение к затвору.
Между металлическим выводом затвора и подложкой появляется электрическое поле.
Электрическое поле притягивает к приповерхностному слою диэлектрика свободные электроны, ранее распределенные в кремниевой подложке.
В приповерхностном слое появляется область проводимости (канал) n-типа, состоящая из свободных электронов.
Между выводами стока и истока появляется «мост», проводящий электрический ток.
Проводимость полевого транзистора регулируется величиной внешнего управляющего напряжения. При его снятии проводящий «мостик» исчезнет и прибор закроется.

Аналогично работает МОП-транзистор p-типа. Показанный выше принцип работы является упрощенным. Приборы, используемые на практике в схемотехнике, имеют более сложное устройство и, следовательно, более сложный принцип работы.

Преимущества и недостатки МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы имеют довольно широкое распространение в современной системотехнике благодаря ряду преимуществ, среди которых:

возможность мгновенного переключения;
отсутствие вторичного пробоя;
хорошая эффективность работы при низких напряжениях;
стабильность при температурных колебаниях;
низкий уровень шума при работе;
большой коэффициент усиления сигнала;
экономичность в плане энергопотребления;
меньшее количество технологических операций при построении схем с использованием МОП-транзисторов по сравнению с применением биполярных приборов.

Применение этих приборов ограничивают следующие недостатки:

Важнейший минус – повышенная чувствительность к статическому электричеству. Тонкий слой оксида кремния легко повреждается электростатическими зарядами, поэтому МОП-приборы могут выйти из строя даже при прикосновении к прибору наэлектризованными руками. Современные устройства практически лишены этого недостатка благодаря корпусам, способным минимизировать воздействие статики. Также в них могут интегрироваться защитные устройства по типу стабилитронов.

Появление нестабильности работы при напряжении перегрузки.

Разрушение структуры, начиная от температуры +150 °C. У биполярных приборов критической является температура +200 °C.

Постоянный поиск по получению хороших эксплуатационных свойств высокомощных униполярных транзисторов привел к изобретению гибридного IGBT-транзистора. Эти устройства объединили лучшие качества биполярного и полевых транзисторов.

Читайте также: