Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные

 

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе (U_3И’, U_3И” на рис.9.4) уменьшается или увеличивается ширина p-n перехода, вследствие этого изменяется сечение канала которое зависит от толщины р-n перехода т.е. изменяется сопротивление канала и в результате изменяется величина тока стока I_С.

Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1_С.

 

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

 

Основным процессом переноса носителей  заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейф основных носителей в электрическом поле.

 

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затвором и истоком, направлено перпендикулярно движению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем. 

 

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, при котором произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом канале ток  канала I_C обращается в нуль, а в цепи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

 Он состоит из обратного тока p-n перехода I₀ и тока утечки I_у, протекающего по поверхности кристалла. Т.к. I_у « I₀, то I_со ~ I₀ .

 

!!! Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, т. к. его работа основана только токах основных носителях заряда либо электронов, либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом  транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного  заряда неосновных носителей, оказывающих  заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

 

Модуляция ширины канала

 

В рабочем режиме по каналу протекает ток I_С, поэтому потенциалы различных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).

                       Рис. 9.5 Модуляция ширины p- канала

 

Потенциал U_Cх, распределенный вдоль канала, меняется от 0 (у земляного вывода) у истока до U_C у стока.

Оба напряжения U_ЗИ (положительное) и U_Cх(отрицательное) являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе U_pn = U_3И, и наименьшим возле стока, где U_{pn =} U_ЗИ - Uc.

  

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение I_С, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопротивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется  насыщением.

При относительно большом напряжении Uc, когда U_СИ + U_3И > U_{pn допуст} , в стоковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и I_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

 

Условное графическое  обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

 

                                     

 

     Рис. 9.6 Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n переход

 

 

Статические ВАХ ПТ с  управляющим р -n  переходом

 

1. Статическая стоковая характеристика

 

  Ic = f(Uc) при U_ЗИ = const, см. рис.9.7

       

                                                          

                                Рис. 9.7 Стоковая характеристика

 

 

При U_ЗИ < U_пор - транзистор закрыт, и его ВАХ подобна обратной ветви полупроводникового диода (нижняя кривая на рис.9.7).

Она практически совпадает с  осью напряжений, отклоняясь от нее в области электрического пробоя.

 

При U_3И = 0 и малых значениях U_СИ ток стока изменяется прямо пропорционально с изменением напряжения (участок АБ).

 

В точке БВ из-за заметного сужения стокового участка канала и уменьшения его общей проводимости намечается некоторое отклонение характеристики от прямой линии.

 

На участке БВ существенное сужение стокового участка канала и значительное уменьшения его общей проводимости вызывают замедление роста тока I_С с увеличением U_СИ.

В точке В, при U_{СИ нас} ток стока достигает величины I_{С нас} и в дальнейшем остается почти неизменным.

 

 

 

 

 

 

2. Статическая стоко-затворная  характеристска

 

Ic = f(Uзи) при Uси = const. рис. 9.8

                                                             

  Рис. 9.8 Cтоко-затворная характеристска

 

Нормальный режим работы транзистора  при U_СИ > U_СИнас.

Прямое включение p-n перехода не применяется т.к. при этом происходит инжекция неосновных носителей и входное сопротивление транзистора резко падает, теряется основное достоинство полевого транзистора - высокое входное сопротивление.

 

Основные  параметры:

1. Начальный ток стока I_cнач при U_зи = 0
2. Напряжение отсечки U_ОТС при котором ток стока I_c=0
3. Крутизна стоко-затворной характеристики

 

 S = DI_С /DU_ЗИ  [мА/В],  при U_С = conct                                 

 

Поверхностные явления.

 

Конструкция полупроводниковых кристаллов современных приборов и интегральных микросхем характеризуются очень малыми размерами областей (единицы и доли мкм) от поверхности кристалла, в которых происходит преобразование электрических сигналов.

Физические процессы на поверхности  полупроводника в большой степени определяют электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

В полевых транзисторах, важнейшие физические процессы, определяющие их принцип действия, протекают непосредственно в приповерхностном слое.

 

Рассмотрим следующие физические процессы:

- поверхностный заряд;

- эффект поля.

 

        Поверхностный заряд.

Структура поверхности полупроводников характеризуется большим числом различных дефектов. Атомы полупроводника на поверхности имеют свободные химически активные валентные связи и при воздействии атмосферы вступают в реакцию с кислородом и парами воды, образуя различные оксиды и гидраты.

Сама граница раздела является нарушением пространственной периодичности кристаллической решетки, т. е. представляет собой дефект.

В результате в приповерхностном слое появляются на зонной диаграмме энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне.

Состояния, соответствующие этим уровням, представляют собой так называемые поверхностные ловушки.

Захватывая подвижные носители, они могут превращаться в положительные или отрицательные ионы, образуя поверхностный заряд.

 

В реальных приборах на поверхность полупроводника наносятся тонкие диэлектрические пленки, и производится специальная термическая обработка с целью улучшения и стабилизации параметров приборов, а также защиты поверхности.

 

 Например, в кремниевых и некоторых арсенид-галлиевых планарных приборах и интегральных микросхемах поверхность покрыта слоем оксида (Si0₂) толщиной в десятые доли микрона.   

Это приводит к тому, что для  кремния, покрытого оксидом SiO₂, помимо заряда ловушек существует постоянный поверхностный заряд.

В пленке SiO₂ вблизи границы раздела с кремнием возникает тонкий переходный слой, содержащий большое число дефектов типа кислородных вакансий (недостаток одного атома кислорода в молекуле SiO₂), в котором образуется положительный заряд ионов Si+.

 

Эффект поля

 

Эффектом поля называется изменение концентрации свободных носителей в приповерхностном слое полупроводника  (и, следовательно, его удельного сопротивления) под действием внешнего электрического поля, направленного нормально к поверхности.

 

В зависимости от направления поля и его напряженности различают три режима приповерхностного слоя:

- обеднения;

- инверсии;

- обогащения.

 

Рассмотрим эффект поля на примере полупроводника р-типа с постоянной концентрацией акцепторов.

На рис. 10.1а. – 10.1в. показаны напряженность  поля и концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.

 

Предположим, что поверхностный заряд равен нулю.

Если полупроводник поместить  во внешнее электрическое поле, то оно вызовет смещение свободных  носителей в приповерхностном слое.

Появится нескомпенсированный объемный заряд, экранирующий остальную часть полупроводника от внешнего поля.

 В стационарном режиме ток  через полупроводник не течет,  так как отсутствует замкнутая  проводящая электрическая цепь.

 

        Рис. 10.1 Концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.

 Режим обеднения поясняет рис.10.1а.

 

Под действием поля, направление которого показано на рис, дырки (основные носители) смещаются от поверхности вглубь полупроводника, так что их концентрация у поверхности уменьшается.

Концентрация электронов у поверхности  возрастает за счет их дрейфа к поверхности под действием электрического поля.

Электроны (неосновные носители) притягиваются к поверхности, но их концентрация здесь остается очень малой.

Поэтому у поверхности образуется обедненный слой толщиной L_o6 .

 

Режим обеднения наблюдается при небольшой напряженности внешнего поля, когда n_пов<N_a, а поверхностный потенциал не превышает порогового значения ф_пор, которое можно определить из условия n_noв = N_a,

 

                      f_пор = 2ф_тln(N_a /n_i)             (10.1)

 

Распределения концентраций электронов и дырок показаны на рис. 10.1а.

 

 

Режим инверсии (рис10.1б)

 

При большой напряженности внешнего электрического поля наблюдается режим инверсии.

Режим инверсии такое состояние приповерхностного слоя полупроводника, в котором поверхностная концентрация электронов (неосновных носителей) превышает концентрацию акцепторов.

Тонкий хорошо проводящий слой  n-типа (рис.10.1б) с высокой концентрацией электронов называют инверсным, так как его тип проводимости противоположен типу проводимости подложки.

Распределения концентраций электронов и дырок показаны на рис. 10.1б.

Возникший проводящий слой  n-типа экранирует полупроводник от внешнего поля.

 

 

Режим обогащения (рис10.1в)

 

При изменении направления внешнего электрического поля возникает режим обогащения, так как дырки притягиваются к поверхности и образуют обогащенный слой, где их концентрация выше концентрации акцепторов.

Обогащенный слой характеризуется повышенной проводимостью, он также экранирует полупроводник от внешнего поля.

 

 

Структура  металл – диэлектрик  - п/п  (МДП или МОП)

 

Структуры металл — диэлектрик —  полупроводник (МДП) составляют основу полевых МДП-транзисторов, конденсаторов, управляемых напряжением, а также широко используются в интегральных схемах.

 Простейшая МДП-структура (рис.  10.2) содержит полупроводниковый кристалл — подложку 1, слой диэлектрика 2, металлический электрод — затвор 3, омический контакт к подложке 4.

Структура имеет два вывода (затвор и контакт к подложке) и является МДП-конденсатором, емкость которого зависит от напряжения между затвором и выводом подложки.

 

Физические процессы в МДП-структуре.

Напряжение затвора создает  электрическое поле, проникающее  через тонкий (толщиной d=0,03-0,1 мкм) слой диэлектрика в приповерхностный слой полупроводника, где оно изменяет концентрацию носителей.

В зависимости от значения напряжения наблюдаются рассмотренные режимы обогащения, обеднения или инверсии.

 

                                        

                                      Рис, 10.2 МДП-структура

 

Напряжение U_з =U₀, при котором в полупроводнике равны нулю напряженность поля, поверхностный потенциал и объемный заряд, называется напряжением нейтрализации. Оно соответствует границе режимов обогащения и обеднения.

 

Пороговым напряжением U_з = U_nop, называется напряжение, при котором концентрация электронов в приповерхностном слое равна концентрации акцепторов, что соответствует границе режимов обеднения и инверсии.

 

Таким образом при U_з <  U_o имеет место режим обогащения.

При    U₀<U₃ <U_nop - режим обеднения,

при Uз >U_nop - режим инверсии.

 

Напряжение затвора  складывается из напряжения на диэлектрике U_д, напряжения в приповерхностном слое полупроводника f_пов и контактной разности потенциалов перехода металл — полупроводник f_мпо.

 

Наиболее широко применяется МДП-структура  на кремнии, где диэлектриком служит диоксид кремния, затвором  - пленка алюминия.

ПТ с изолированным  затвором

 

В настоящее время они находят  наибольшее применение, прежде всего  в кремниевых ИМС, особенно в сверхбольших: микропроцессорах, ЗУ большой информационной емкости и др.

Полевые транзисторы  металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), или по другому металл-оксид-полупроводник (МОП), сильно отличаются от рассмотренных (с управляющим p-n переходом) как по принципу действия, так и по технологии изготовления.

 

В отличие от ПТ с управляющим  p-n переходом в МДП-транзисторах металлический электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика.