Полевые МОП-транзисторы

МДП транзистор — это ещё один вид транзисторов, управляемых электрическим полем. МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Точно так же, как и в полевом транзисторе с p-n переходом, в этом виде полевых транзисторов применяется настолько тонкий канал, что он может быть перекрыт электрическим полем. В отличие от транзисторов с p-n переходом, в МДП транзисторах сечение канала изменяется не шириной p-n перехода, а непосредственно электрическим полем. Благодаря тому, что канал транзистора отделен от затвора диэлектриком, входное сопротивление этого вида транзисторов на низких частотах очень велико.

Наиболее распространенные МДП-транзисторы выполняются на кремнии. В них в качестве диэлектрика используется оксидная пленка. Так как оксид кремния является прекрасным диэлектриком, то такие транзисторы обладают отличными характеристиками и их легко сформировать на поверхности кристалла кремния. Подобные транзисторы получили название МОП-транзисторы. МОП расшифровывается как металл-окисел-полупроводник. Упрощённая конструкция полевого МОП-транзистора с встроенным каналом приведена на рисунке 1.

Конструкция полевого МДП-транзистора с встроенным каналом

Рисунок 1. Упрощённая конструкция полевого МОП-транзистора с встроенным каналом

В данном транзисторе управление током, протекающим через транзистор производится изменением ширины канала между электродами истока и стока. В n-канальном МОП-транзисторе, конструкция которого приведена на рисунке 1, уменьшение тока достигается подачей отрицательного напряжения на затвор транзистора. При этом электроны из n-полупроводникового канала выталкиваются в подложку транзистора. В результате толщина канала уменьшается и его сопротивление возрастает.

Во многом принцип работы полевого МОП-транзистора подобен принципу работы полевого транзистора с p-n переходом, поэтому его входная и выходные характеристики похожи на характеристики полевого МОП-транзистора с p-n переходом. Влияние напряжения питания на ширину канала показано на рисунке 2.

Влияние напряжения на стоке полевого МОП-транзистора на ширину его канала

Рисунок 2. Влияние напряжения на стоке полевого транзистора на ширину его канала

Наиболее распространенным материалом для соединения элементов микросхемы между собой и обеспечения омических контактов с полупроводниковым транзистором является алюминий. Для реализации омического контакта в кремнии формируется область повышенной концентрации неосновных носителей n+ или p+.

Из-за применения высокоомного материала n-области кремния в канале, на нём по закону Ома образуется падение напряжения. Изменение напряжения на каждом участке канала приводит к изменению ширины слоя p-области, формируемой отрицательным напряжением на затворе МОП-транзистора На рисунке 2 показано, как меняется ширина канала из-за изменения потенциала затвор-сток. p-область при исходном напряжении на стоке показана в виде заштрихованной зоны. При увеличении напряжения на стоке эта область становится шире, что приводит к уменьшению ширины канала, а значит и увеличению его сопротивления. В результате ток через транзистор практически не зависит от напряжения на его стоке.

Условно-графическое обозначение МОП-транзистора отражает его внутреннее устройство. Канал изображается прямой линией, затвор — параллельной линией, отделенной диэлектриком, как в конденсаторе. Подложка изображается в виде стрелочки, показывающей куда будет протекать ток при прикладывании соответствующего напряжения. Условно-графическое обозначение полевых МОП-транзисторов с встроенным каналом приведено на рисунке 3.

УГО полевых МОП-транзисторов с встроенным каналом

Рисунок 3. Условно-графическое обозначение полевых МОП-транзисторов с встроенным каналом

В ряде случаев то, что транзистор открыт при нулевом напряжении на его затворе является недостатком. В качестве примера можно назвать цифровые микросхемы или силовые ключи на транзисторах в DC/DC преобразователях. В качестве решения в подобных схемах используются полевые МОП транзисторы с индуцированным каналом.

Конструкция полевого транзистора с индуцированным каналом похожа на конструкцию транзистора, приведенную на рис. 1. Она показана на рис. 4.

Рисунок 4. Упрощённая конструкция полевого МОП-транзистора с индуцированным каналом

Первоначально никакого канала не существует и так как p-n переходы включены встречно, то один из этих переходов заперт. Соответственно ток через транзистор не протекает. Канал образуется за счет притяжения носителей заряда электрическим полем затвора полевого транзистора. Для формирования n-канала на затвор транзистора следует подать положительный потенциал. К поверхности полупроводникового кристалла притянутся электроны и между истоком и стоком транзистора будет протекать ток. Его величина будет зависеть от ширины канала, а значит от значения положительного напряжения, поданного на затвор n-канального МОП-транзистора с индуцированным затвором.

В p-канальном транзисторе канал формируется под диэлектриком при подаче отрицательного напряжения относительно полупроводника. Условно-графическое обозначение полевых МДП-транзисторов с индуцированным каналом приведено на рисунке 5. То, канал первоначально не существует, показано пунктирной линией.

УГО полевых МОП-транзисторов с индуцированным каналом

Рисунок 5. Условно-графическое обозначение полевых МОП-транзисторов с индуцированным каналом

Итог:

МОП-транзисторы легко производить на кремниевых кристаллах;
МОП-транзисторы занимают минимальную площадь на поверхности микросхемы.

Дата последнего обновления файла 29.07.2021

Вместе со статьей "Полевые МОП транзисторы" читают: