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.

Конструкция полевого МОП-транзистора с индуцированным каналом
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


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  5. Колосницын Б. С. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие: в 2 ч. Ч. 1: Расчёт и проектирование биполярных транзисторов. — Минск: БГУИР, 2011. — 68 с.
  6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.
  7. Колосницын Б. С. Гранько  С. В. Электронные приборы на основе полупроводниковых соединений. Учебно-методическое пособие: — Минск: БГУИР, 2017. — 94 с.
  8. МОП-структура. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Изобретение_транзистора
  9. SiC: микроэлектроника — это не только кремний

Вместе со статьей "Полевые МОП транзисторы" читают:

Принцип действия биполярного транзистора
https://digteh.ru/foe/tranzistor/bt/princip/

Полевые транзисторы
https://digteh.ru/foe/tranzistor/fet/

Полевые транзисторы с p-n переходом
https://digteh.ru/foe/tranzistor/fet/j/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 20 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика