Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET или МДП-транзисторы)

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в МДП-транзисторах затвор изолирован от области токопроводящего канала слоем диэлектрика. Отсюда и название МДП – металл-диэлектрик-полупроводник. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Поэтому другое название – МОП-транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает очень высокое входное сопротивление транзисторов (10¹²-10¹⁴) Ом.

Принцип действия МДП- 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. МДП- транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

МДП - транзисторы представляют собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом, выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП- транзисторы могут быть с каналом n- или р-типа. Условные обозначения МДП - транзисторов показаны на рис. 3.20.

Конструкция МДП- транзистора со встроенным каналом n-типа показана на рис. 3.20, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала n-типа. Слой окисла SiO₂ выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки иногда присоединяют к истоку.

Стоковые характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа показаны на рис. 3.21, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n-переходом. Различие заключается в том, что входное напряжение U_зи может быть как положительной так и отрицательной полярности.

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

Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом приведена на рис. 3.21, в. Ее отличие от стоко-затворной характеристики транзистора с p-n-переходом обусловлено возможностью работы как при U_зи < 0 (режим обеднения), так и при U_зи > 0 (режим обогащения).

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 3.22, 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. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа. 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 n-типа приведены на рис. 3.22, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление током осуществляется напряжением U_зи одной полярности, совпадающей с полярностью U_си.

Вид стоко-затворной характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведен на рис. 3.22, в.

Полевые, транзисторы играют важную роль в диапазоне малых и средних мощностей. Сопро­тивление в открытом состоянии низковольтных MOSFET (до 200 В) было уменьшено за после­дние годы более чем в 10 раз. Это было достигнуто оптимиза­цией геометрии ячейки и исполь­зования технологии утопленно­го канала (trench-gate techno­logy). Плотность упаковки совре­менных низковольтных MOSFET достигает в настоящее время 100 млн. элементарных ячеек на квадратный дюйм. Для низко­вольтного диапазона напряже­ний можно предсказать непре­рывное развитие MOSFET для снижения статических потерь и повышения стойкости.

Для высоковольтных MOSFET настоящей революцией была технология создания суперпере­хода, реализованная "Infineon Technology" в семействе высо­ковольтных MOSFET – CoolMOS. Поэтому высоковольтные MOSFET будут иметь все боль­шее и большее значение в диа­пазоне напряжений от 500 до 1200 В.

В течение ближайших пяти лет на рынке могут появиться по­левые транзисторы, управляе­мые р-п-переходом (VJFET), на базе карбида кремния (SiC). Также имеется потенциал для использования в качестве быс­трых и стойких высоковольтных ключей каскодных соединений SiC — MOSFET с низковольтны­ми кремниевыми MOSFET.