Полевых транзисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором. В

транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводни­ка слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-по­лупроводник). В англоязычной литературе их обычно обо­значают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) — Semiconductor FET).

В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.

В так называемых транзисторах со встроенным (соб­ственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи напряжения на затвор имеется канал, соединяю­щий исток и сток.

В так называемых транзисторах с индуцированным ка­налом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.

МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзис­торами надо предпринимать особые меры защиты от ста­тического электричества. Например, при пайке все выво­ды необходимо закоротить.

МДП-транзистор со встроенным каналом. Канал можетиметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для опре­деленности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзисто­ра (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзи­стора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направле­ние от слоя р к слою n.

Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может ра­ботать в двух режимах: обеднения и обогащения.

Режиму обеднения соответствует положительное на­пряжение и_зи. При увеличении этого напряжения концен-

трация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.

Если напряжение и_зи больше напряжения отсечки, т. е. если u_зи > U_{зи omc}, то канал не существует и ток между исто­ком и стоком равен нулю.

Режиму обогащения соответствует отрицательное на­
пряжение и_зи. При этом чем -больше модуль указанного
напряжения, тем больше проводимость канала и тем боль­
ше ток стока.

Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99).

На ток стока влияет не только напряжение и_зи, но и напряжение между подложкой и истоком и_пи. Однако уп­равление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие напряжения на подложке уменьшает крутизну.

Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. При использовании транзистора необходи­мо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подлож­ку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала

истока (потенциал стока в приведенной выше схеме мень­ше потенциала истока).

Изобразим выходные характеристики МДП-транзисто-ра (встроенный р-канал) типа КП201Д (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101).

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) кана­лом. Канал может иметь проводимость как р-типа, так и

n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение струк­туры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обо­значение транзистора с идцуцированным каналом р-типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б).

При нулевом напряжении и_зи канал отсутствует (рис. 1.102) и ток стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует от­рицательное напряжение и_зи. При этом и_из > 0.

Если выполняется неравенство и_из > U_{из..порог ,} где U_{из..порог} --- так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может про­текать ток. Канал p-типа возникает из-за того, что концен­трация дырок под затвором увеличивается, а концен­трация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов. Описанное явление изменения типа проводи­мости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), — инверсным (инверсионным). Не­посредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверс-

ного слоя 1 • 10^-9 ...5 • 10^-9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).

Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с ин­дуцированным р-каналом КП301Б.

Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов ис­пользуется одна и та же математическая модель (но, есте­ственно, с различными параметрами).

L3.5. Применение принципа полевого транзистора

Рассмотрим использование идей, реализованных в по­левых транзисторах, в более сложных электронных устрой­ствах.

Ячейка памяти на основе полевого транзистора с изоли­рованным затвором (флэш-память). Рассмотрим структуру и принцип действия ячейки так называемой флэш-па­мяти.

Устройства флэш-памяти являются современными бы­стродействующими программируемыми постоянными за­поминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-ПЗУ; в аббревиатуре нет букв, соответствующих словам «электрическая запись», так как такая запись подразуме­вается).

Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания. Ячейки памяти выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.

Изобразим упрощенную структуру ячейки флэш-памя­ти (рис. 1.107).

 

 

Слои полупроводника, обозначенные через n+, имеют повышенную концентрацию атомов-доноров. Изоляция затворов для упрощения рисунка не показана. Структура ячейки в некотором отношении подобна структуре МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Один из затворов называют плавающим, так как он гальванически не связан с электродами прибора и его по­тенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («пла­вающий» потенциал).

При записи информации в ячейку памяти электроны из истока туннелируют через тонкий слой изолирующего окисла кремния (толщиной около 1 • 10^-8 м) и переходят на плавающий затвор- Накопленный отрицательный заряд на плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение U_{зп порог} Поэтому в будущем при обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю).

При стирании информации электроны уходят с плава­ющего затвора (также в результате туннелирования) в об­ласть истока. Транзистор без заряда на плавающем затво­ре воспринимается при считывании информации как включенный.

Длительность цикла считывания (чтения) информации составляет не более 85 нс. Состояние ячейки памяти мо­жет сохраняться более 10 лет.

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью имеет большое число распо­ложенных на малом расстоянии затворов и соответствую­щих им структур металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Изобразим упрощенную структуру прибора с за­рядовой связью (рис. 1.108).

При отрицательном напряжении на некотором затво­ре под ним скапливаются дырки, совокупность которых называют пакетом. Пакеты образуются из дырок, инжек­тированных истоком или возникающих в результате гене­рации пар электрон-дырка при поглощении оптического

излучения. При соответствующем изменении напряжений на затворах пакеты перемещаются в направлении от ис­тока к стоку.

Приборы с зарядовой связью используются:

• в запоминающих устройствах ЭВМ;

• в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.

Классификация полевых транзисторов такая же, как и биполярных транзисторов, т. е. используется буквенно-цифровой код, в котором второй элемент — буква П, оп­ределяющая подкласс [3].

Примеры обозначения приборов:

КП310А — кремниевый транзистор малой мощности, с граничной частотой более 30 МГц, номер разработки 10, группа А;

2П701Б — кремниевый транзистор большой мощнос­ти, с граничной частотой не более 30 МГц, номер разработки 1, группа Б.