Рис. 4.17.Структура полевого МОП транзистора:
1 - металлический контакт истока; 2 - металлический контакт стока; 3 - подложка с собственной проводимостью или р-типа; 4 - изолирующий слой окисла; 5 - канал с зарядом электронов
На подложке из собственного или слабо легированного акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов (n-типа), называемые истоком и стоком и соединенные с металлическими контактами. В центральной части над подложкой находится изолирующий слой окисла, а над ним - металлический слой треть его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между истоком и стоком под затвором во время работы транзистора возникает канал, проводящий ток.
Действие подобного полупроводникового прибора заключается в следующем. При отсутствии напряжения на затворе подводимое между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению канала. При подведении к затвору положительного относительно истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в диэлектрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее электроны из участков металлизации истока и стока и направляющее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напряженности электрического поля. Это и есть полевой эффект.
Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа "нормально выключенный".
Название "нормально выключенный" следует из того факта, что ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (Uзи = 0) и возрастает при положительных напряжениях на затворе.
Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной структурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором, работающие на принципе обеднения носителей в канале, или транзисторы типа "нормально включенный". В зарубежной литературе они помимо обозначения MOS часто имеют обозначение MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из того факта, что проводимость канала, не равная нулю для Uзи = 0, может быть уменьшена ("обеднена"), когда (Uзи будет отрицательным. Положительные значения напряжения затвора увеличивают проводимость канала и ток стока.
Графически изображения обоих типов транзисторов представлены на рис. 4.18.
Рис. 4.18.Условные графические изображения полевых МОП транзисторов с изолированным затвором, обогащенного типа с р-каналом с подложкой, выведенной наружу, (а) и подложкой, не выведенной наружу, (б), с n-каналом (а) и обедненного типа с р-каналом (г)
Что такое статическая характеристика МОП транзистора?
Статическая характеристика МОП транзистора представляет собой зависимость тока стока Iс от напряжения сток - исток Uсипри постоянном напряжении затвор - исток Uзи. Это выходная, или стоковая, характеристика. На рис. 4.19, а представлена такая характеристика для транзистора "нормально выключенного" типа.
Рис. 4.19. Статические выходные характеристики (стоковые) МОП транзистора типа:
а - "нормально выключенный"; б - "нормально включенный"
Ток стока тем больше, чем больше напряжение между истоком и стоком, поскольку при этом увеличивается заряд свободных электронов в канале подложки. Зависимость тока стока от напряжения исток - сток Uси линейна до тех пор, пока напряжение Uси достаточно мало. Если оно сравнимо с напряжением затвор - исток и положительно, то вдоль канала наблюдается изменение электрического поля. Оно максимально вблизи истока и минимально вблизи стока. Зависимость тока стока от напряжения сток - исток становится нелинейной. При больших напряжениях Uси (Uси > Uзи) наступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте Uси резко увеличивается ток (лавинный эффект). Это область пробоя.
Стоковая характеристика МОП-транзистора простирается также в область отрицательных напряжений между стоком и истоком, так как изменение полярности напряжения не вызывает существенных изменений в работе транзистора. Происходит это благодаря тому, что в МОП транзисторе в отличие от биполярного транзистора отсутствуют однонаправленные р-n переходы. Насыщения тока в области отрицательных Uси не наблюдается, поскольку в этом случае нет перехода через точку Uси = Uзи.
Характеристика МОП транзистора типа "нормально включенного" показана на рис. 4.19, б.
Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения Uзи при напряжении Uси, взятом в качестве параметра, называется входной характеристикой (стоко-затворной характеристикой или характеристикой управления - прим. перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих типов представлены на рис. 4.20, а и б.
Рис. 4.20.Статические передаточные характеристики МОП транзистора типа:
а - "нормально выключенный"; б - "нормально включенный"
Каковы структура и принцип действия полевого транзистора с р-n переходом?
Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4.21. Канал n-типа охватывается кольцевой областью затвора p-типа, в результате чего между затвором и каналом образуется р-n переход. По обеим противоположным сторонам канала расположены металлические электроды истока и стока.