Устройство и принцип действия полевого транзистора с изолированным затвором

Примерная схема структуры полевого МДП-транзистора с индуцированным - каналом, включенного по схеме с общим истоком показана на рис.1.

Основу транзистора составляет пластина 1 примесного полупроводника -типа (подложка). В подложке у ее поверхности на небольшом расстоянии друг от друга (2-50 мкм) созданы две сильно легированные области с проводимостью *-типа - истока 2 и стока 5. На поверхности подложки между истоком и стоком располагается тонкий (0,1-0,2 мкм) слой диэлектрика 3,

покрытый пленкой металла 4, представляющей собой затвор. Ис­ток, сток, затвор и подложка снабжены электрическими выводами - И, С, 3, П. Подложку иногда называют нижним затвором.

Принцип действия МДП-транзистора с индуцированным кана­лом основан на эффекте поля - изменении концентрации подвиж­ных носителей заряда в полупроводнике под действием электрического поля. Прово­дящий канал в транзисторе образуется в приповерхностной облас­ти подложки под затвором подвижными носителями заряда при по­даче на затвор потенциала соответствующей полярности. Тип эле­ктропроводимости канала совпадает с типом электропроводимости областей истока и стока транзистора.

Образование проводящего канала в рассматриваемом транзис­торе можно пояснить, используя энергетическую диаграмму слоя - полупроводника (рис.2), расположенного между истоком и стоком транзистора. На рис.2 обозначено: W- энергия; W_n и W_B - энергия дна зоны проводимости и энергия потолка валентной зо­ны ; W_t- энергия середины запрещенной зоны; W_F - энергия Ферми.

При подведении напряжения к стоку относительно истока ток через структуру в отсутствии напряжения затвора( = 0) очень мал, так как он представляет собой обратный ток двух включенных встречно переходов, и энергетическая диаграмма области - полупроводника в данном случае с исходной концентрацией основных носителей заряда (дырок) – нейтральной области – будет иметь вид, показанный на рис. 2,а. Диаграмма отражает состояние полупроводника, когда его приповерхностный слой имеет проводимость -типа (проводящий канал отсутствует).

При подаче на затвор (при условии, что напряжение = 0) небольшого положительного потенциала ( >0) в результате проникновения элект­рического поля затвора через диэлектрик в подложку дырки под действием поперечного элект­рического поля, дрейфуя от поверхности подложки в ее глубину, приводят к появлению в подзатворной части под­ложки области нескомпенсированных ушедшими дырками отрицательных зарядов акцепторов - обедненной области

(рис.2,б). С ростом напряже­ния обедненная область расширяется в сто­рону нейтральной области подложки. Одновременно под действием поля затвора к поверхности подложки притягиваются электроны. Электроны поступают к поверхности главным образом из областей истока и стока вследствие инжекции (напряжение >0 сме­щает переходы истока и стока в прямом направлении) и лишь частично из подложки, где их концентрация, как неоснов­ных носителей заряда, чрезвычайно мала, а их термогенерация происходит сравнительно медленно и определяется временем жиз­ни.

При некотором напряжении затвора концентрации подвижных носителей заряда на поверхности подложки электронов и ды­рок становятся равными концентрации собственных носите­лей заряда ( = = ), уровень Ферми на границе диэлектрик-полупроводник (подложка) проходит через середину запрещенной зоны, а границы энергетических зон изгибаются со­ответственно вниз (см.рис.2,б).

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к превыше­нию на поверхности и в приповерхностном слое подложки концент­рации электронов над концентрацией дырок, в результате тип электропроводимости подзатворной области подложки изменяется на противоположительный, т.е. происходит инверсия электропроводимости. Образовавшаяся область инверсии (инверсный слой) толщиной отделена от нейтральной области подложки обедненной областью толщиной (рис.2,в). При этом отри­цательный заряд акцепторов в области и заряд электронов в слое компенсируют положительный заряд затвора. По мере дальнейшего увеличения напряжения растут также ве­личины и , но до тех пор, пока не наступит так называемый режим сильной инверсии, когда концентрация электро­нов в инверсном слое у поверхности не станет равной концентра­ции дырок (акцепторов) в нейтральной области подложки. Напряжение затвора, при котором начинается режим сильной ин­версии, получило название порогового – . В режиме сильной инверсии с ростом величины сверх величины и прак­тически не изменяются, принимая максимальные значения и ( составляет единицы нанометров, - в несколько раз больше). Это объясняется тем, что в режиме сильной инверсии инверсный слой, приобретая свойства полуме­талла, экранирует обедненную и нейтральную области подложки от поля затвора. Поэтому компенсация увеличивающегося положи­тельного заряда на затворе достигается практически за счет поступления электронов из областей истока и стока.

Распределение носителей зарядов в плос­кости структуры представлено на рис.3.

Как следует из рисунка, в подзатворной области подложки образовавшийся в виде инверс­ного слоя индуцированный тонкий токопроводящий канал соединяет электри­чески между собой области истока и стока. При этом поверхность подложки под затвором эквипотенциальна, электрическое поле в диэлектрике однородно и толщина канала одинакова на всем его протяжении в направлении оси .

Проводимость индуцированного канала с ростом напряжения затвора увеличивается за счет обогащения канала основными но­сителями заряда - электронами.

При подаче напряжения на сток транзистора ( > 0) и при напряжений затвора больше порогового ( > ) через структуру будет протекать ток стока , величиной которого можно управлять путем изменения потенциала затвора.

Концентрация носителей заряда в индуцированном проводящем канале и в некоторой степени его сечение в рассматриваемой структуре неодинаковы на разных расстояниях от истока из-за падения напряжения на сопротивлении кана­ла за счет протекания тока стока. Это напряжение, будучи приложенным к затвору, в силу своей полярности способствует обеднению проводящего канала подвижными носителями заряда. Поэтому в направлении от истока к стоку (оси ) концентрация носителей заряда в канале и его сечение уменьшаются.

Увеличение напряжения стока вызывает рост тока стока , что ведет к обеднению носителями заряда канала и его сужению в сторону стока (рис.4) так, что при некотором напряжении, на­зываемом напряжением насыщения , канал перекрывается (обедненная область достигает подзатворного диэлектрика) и рост тока стока пре­кращается,

так как одновременно с дальнейшим увеличением нап­ряжения стока длина участка перекрытия канала, а, следовательно, и сопротивление участка перекрытия увеличиваются, т.е. практически все дополнительное напряжение падает на участке перекрытия. Соответственно длина канала сокращается на величину L (эффект модуляции длины канала). При этом наступает насыщение тока стока. На участке перекры­тия продольное электрическое поле значительно больше, чем в канале, поэтому электроны экс­

трагируются полем из канала и переносятся в стоковую область.