Р-канальный МДП транзистор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р-канальный МДП транзистор

Современное развитие радиоэлектроники, электронной техники и техники связи характеризуется значительным усложнением требований и задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой. Роль электроники справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Без электроники немыслимы успехи в освоении космоса, океанских глубин, развития атомной энергетики и вычислительной техники, автоматизации производства, радиовещания и телевидения. Микроэлектроника - это очередной этап развития электроники и одно из её основных направлений, обеспечивает новые пути развития во всех перечисленных областях.

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования.

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку нового типа электронных приборов - интегральных микросхем - и принципов их применения.

Интегральная микросхема - это совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т. п.), изготовления в едином технологическом цикле, т.е. выполненных на одной и той же несущей конструкции - подложке.

Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объединения отдельных деталей (компонентов) в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функциями отдельных компонентов.

Компоненты, которые входят в состав ИС и тем самым не могут быть выделенными из ней в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС или интегральными элементами. Они обладают некоторыми особенностями по сравнению с «обычными» транзисторами, резисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктивно обособленных единиц и соединяются в схему путём пайки. В отличие от интегральных элементов конструктивно обособленные приборы и детали, свойственные «домикроэлектронной эпохе», будем называть дискретными компонентами, а электронные узлы и блоки, построенные на их основе - дискретными схемами.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. Основными факторами, лежащими в основе смены элементной базы, являются надёжность, габариты и масса, стоимость и мощность.

Следует подчеркнуть, что микроэлектроника и её основопологающая идея - интеграция компонентов - зародились в недрах дискретной транзисторной техники и впитали в себя её прогрессивные методы и средства.

Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл-диэлектрик - полупроводник получили широкое распространение, и их производство составляет значительную долю продукции электронной промышленности. Они занимают доминирующее положение при выпуске таких изделий микроэлектроники, как полупроводниковые оперативные и постоянные запоминающие устройства, БИС электронных микрокалькуляторов, БИС микропроцессорных наборов.

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926--1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора -- с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов -- полевых транзисторов с барьером Шоттки -- была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Структура и топология р- канального МДП транзистора

Полевые униполярные транзисторы - активные полупроводниковые приборы, протекание тока в которых, обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление величиной полупроводимости проводника, а следовательно, и величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем. Это поле создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду. Действие полевых транзисторов основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называют униполярными в отличие от биполярных, использующих оба типа носителей.

МДП-транзисторы имеют существенные преимущества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно невелики, в принципе, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокие входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость). В то же время БИС на МДП-транзисторах уступают БИС на биполярных транзисторах в технологической воспроизводимости, стабильности параметров и быстродействии. МДП-транзистор имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку. Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) основные носители, - стоком, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока, - затвором. Подложка - пассивная область, на которой изготавливается полевой транзистор. Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на некотором расстоянии /к друг от друга локальной диффузией или ионным легированием (рис.1).

Рис. 1 схематическое изображение транзистора с управляющим p-n переходом.

Они изолированы друг от друга р-п переходами. Между ними поверх слоя диэлектрика расположен затвор, выполненный из проводящего материала. Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком и стоком. Этот эффект вызывают наложением поперечного электрического поля в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет напряжения, подаваемого на затвор. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, исток и канал образуют с подложкой р-п переход. В зависимости от типа основных носителей тока в канале различают n-канальные и р-канальные МДП-транзисторы. По конструктивно-технологическому исполнению МДП-транзисторы подразделяют на две разновидности: со встроенным и с индуцированным каналами (рис.2).

Рис. 2 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

а) С индуцированным каналом;

б) С встроенным каналом

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис.2, а) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. Встроенный канал предусмотрен (рис.2, б). конструктивно и создается на этапе производства транзистора легированием при поверхностной области между истоком и стоком. Создавая электрическое поле в структуре металл - диэлектрик - полупроводник, можно управлять электропроводностью канала и соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Так, при отрицательном относительно n-канала напряжении на затворе в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентрация электронов снижается и проводимость канала уменьшается (режим обеднения). В р-канальном МДП-транзисторе в зависимости от величины и полярности напряжения на затворе наблюдается обеднение (u3>0) или обогащение (u3<0) канала дырками.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированныеобласти с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (рис. 3). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор -- сетке, сток -- аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе -- входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Рис. 3. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Характеристики, преимущества, недостатки и достоинства транзистора. МДП-транзисторы со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 4).

Рис. 4. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Рис.

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Статические характеристики передачи (рис. 4, б) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения

1. Транзистор закрыт <

Пороговое значение напряжения МДП транзистора =1,5 В

2. Параболический участок. >

-удельная крутизна транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

-- Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять это заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.

Сравним транзисторы различной структуры с точки зрения удобства их управления и полярности включения источников питания.

Транзисторы с n-каналом обладают более высоким быстродействием, чем транзисторы с р-каналом (из-за большей подвижности электронов). МДП-транзисторы с n- и р-каналами имеют разные пороговые напряжения . Типичные значения составляют 0,25 - 1 В для приборов с n-каналами и - (2 - 4)В для приборов с р-каналом.

Из всех видов каналов только транзистор с индуцированным каналом при нулевом смещении на затворе не проводит тока. Это позволяет строить схемы, в которых для запирания транзистора не требуется дополнительных источников питания. Транзистор со встроенным каналом может проводить ток как при положительном смещении, так и при отрицательном. Для его запирания требуется положительное смещение в случае канала с дырочной электропроводимостью и отрицательное смещение - в случае с электронной электропроводности. Полярность запирающего смещения совпадает со знаком заряда основных носителей в канале, так как одноимённый заряд на затворе способен вытеснить основные носители из канала. Возможность управления потенциалом любой полярности в ряде случаев позволяет упростить схемы.

Транзисторы с управляющим p-n переходом и с индуцированным каналом управляются потенциалом только одной полярности. Первый из них работает при отрицательном смещении, если канал n-типа, и положительном, если канал р-типа. Чтобы индуцировать канал n-типа, необходимо подать положительное смещение на затвор (притягивающее электроны в канал), а для индуцированная канала р-типа - отрицательное смещение. Следовательно, указанные виды транзисторов с каналами одного и того же типа электропроводности требуют смещения разной полярности.

Полярность включения источника питания стока определяется направлением движения основных носителей в канале. Независимо от структуры транзистора источник подключается к стоку положительным полюсом для транзисторов с каналами n-типа и , наоборот, отрицательным полюсом для транзисторов с каналом р-типа. Указанные полярности включения обеспечивают движение основных носителей от истока к стоку.

Таблица

В ключевых схемах ПТ управляется двумя уровнями f/зи: при одном (например, нулевом для МДП ПТ с индуцированным каналом) он закрыт, а при другом открыт. В открытом состоянии рабочая точка обычно находится на крутом участке ВАХ для заданного i/зи.

Наконец, все типы мощных ПТ имеют междуэлектродные емкости: входную Сзн (или Си), проходную Сзс (или C12) и выходную Сси (или С22). Эти емкости в основном определяют быстродействие приборов. У ВЧ- и СВЧ-транзисторов (особенно арсенид-галлиевых), приходится учитывать отдельные составляющие этих емкостей и паразитные индуктивности конструкции.

Из общих особенностей мощных ПТ можно отметить:

1. Размещение на одном кристалле сотен и даже тысяч элементарных структур либо разветвленную геометрию элементарной структуры с целью

увеличения S и /с макс.

2. Введение в область стока высокоомиой области с целью повышения рабочих напряжений.

3. Монтаж приборов в корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод при рассеиваемых мощностях до десятков-сотеи ватт.

4. Малые габаритные размеры и массу (во многие тысячи раз меньшие, чем у ламп), большой срок службы, отсутствие нити накала.

5. Нестойкость к токовым перегрузкам.

Достоинствами мощных ПТ являются:

1. Ничтожная мощность управления в статическом режиме и малые токи затвора.

2, Высокая скорость переключения, резко снижающая динамические потерн в ключевых схемах.

3. Отсутствие теплового пробоя и слабая подверженность вторичному пробою (что, в частности, связано с отрицательным температурным коэффициентом изменения тока стока).

4. Самоограничение ток стока, препятствующее токовым перегрузкам.

5. Повышенная линейность в усилительных режимах, снижающая уровень интермодуляциоиных искажений.

6. Отсутствие явления накопления избыточных носителей в структуре и их медленного рассасывания.

К недостаткам мощных ПТ можно отнести: выход из строи при электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных); повышенные по сравнению с биполярными транзисторами остаточные напряжения, что увеличивает потери в статическом режиме; худшая радиационная стойкость; более высокая, чем у биполярных транзисторов, стоимость.