Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Полевые МДП транзисторы




Управление проводимостью полупроводника электрическим полем

Для понимания процессов влияния электрического поля на проводимость полупроводника рассмотрим МДПМ конденсатор, который представляет собой систему чередующихся слоев: металл (Ме 1); диэлектрик (Д); полупроводник р или n типа; металл (Ме 2). К слою Ме 1 прикрепляется управляющий электрод (УЭ); к слою Ме 2 прикрепляется электрод, который обычно называют “подложка” (П).

 
 

Пусть полупроводник является слабо легированным дырочным полупроводником (р -тип проводимости), контакт между подложкой и полупроводником является невыпрямляющим (омическим). Структура МДПМ конденсатора и его энергетических зон даны на рис. 5.1, 5.2.

Рис. 5.1. Структура МДПМ конденсатора Рис. 5.2. Схема энергетических уровней
МДПМ конденсатора

 

Рассмотрим явления, происходящие в тонком слое полупроводника, прилегающего к границе “диэлектрик-полупроводник” (слой А), при подаче на УЭ электрического потенциала относительно подложки П (потенциал подложки в дальнейшем будем считать равным нулю).

1. При подаче на УЭ отрицательного потенциала (U УЭ < 0) в полупроводнике в течение короткого промежутка времени будет существовать электрическое поле, под действием которого произойдет перераспределение зарядов (электростатическая индукция). В слое А увеличится концентрация дырок р' > р, что приведет к увеличению проводимости слоя А. Рассмотренный режим работы МДПМ конденсатора называют режимом обогащения. Схема энергетических зон МДПМ конденсатора в режиме обогащения дана на рис. 5.3 а.


2. При подаче на УЭ небольшого положительного потенциала U УЭ в слое А полупроводника из-за электростатической индукции концентрация дырок уменьшится р' < р, что приведет к уменьшению проводимости слоя А (режим обеднения). Концентрация электронов в слое А при этом несколько увеличится, но при небольших U УЭ n p ' < p', поэтому незначительное увеличение концентрации электронов в слое А не сможет существенно изменить проводимость этого слоя. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме обеднения дана на рис. 5.3 б.

а б в

Рис. 5.3. Структура МДПМ конденсатора и схема его энергетических уровней
при наличии смещения: а – режим обогащения; б – режим обеднения;
в – режим инверсной проводимости n –типа

3. При подаче на УЭ достаточно большого положительного потенциала U УЭ слой А разделится на два подслоя А 1 и А 2. Слой А 2 останется в режиме обеднения. В слое А 1 концентрация электронов превысит концентрацию дырок n' > р', то есть под действием электростатической индукции изменится тип проводимости. Изменение типа проводимости полупроводника под влиянием внешнего электрического поля называют индуцированной инверсией проводимости. Напряжение, при котором появляется инверсия проводимости, называют напряжением инверсии U инв. При выполнении условия U УЭ > U инв при дальнейшем увеличении управляющего потенциала слой индуцированной электронной проводимости будет расширяться и проводимость этого слоя увеличится. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме индуцированной проводимости дана на рис. 5.3 б.

Структура МДП транзистора

Полевой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистор представляет собою полупроводниковый прибор, имеющий, как правило, четыре выхода: исток, сток, затвор и подложку. В транзисторах малой и средней мощности исток и подложку соединяют внутри корпуса транзистора. Таким образом маломощный полевой МДП транзистор обычно имеет три электрода: исток (И), сток (С) и затвор (З).

Основой транзистора является слаболегированная кремниевая полупроводниковая пластина р -типа. Верхнюю часть пластины обжигают в кислороде, в результате чего на ее поверхности образуется тонкий диэлектрический слой кварцевого стекла (SiO 2). В слое SiO 2 вытравливаются две полоски (расположены перпендикулярно плоскости чертежа); через образовавшиеся “окна” внедряется донорная примесь для образования слоев электронной проводимости (образуются слои истока и стока). Затем вакуумным напылением наносят металлические контакты к истоку и стоку. В средней части пластины (над каналом) на слой SiO 2 напыляют третий электрод – затвор. Нижнюю поверхность пластины также металлизируют, образовавшийся при этом электрод (подложка) делает электрическое поле внутри транзистора более однородным.

Существуют две разновидности полевых МДП транзисторов.

 
 

В транзисторах со встроенным каналом (рис. 5.4) области истока и стока соединены постоянным каналом с тем же типом проводимости, канал расположен под изолированным затвором.

а б

Рис. 5.4. Полевой МДП транзистор с встроенным каналом n -типа:

а – структуратранзистора; б – схемное обозначение

При подаче на затвор (затвор в МДП транзисторе играет роль управляющего электрода) положительного относительно подложки потенциала U ЗИ > 0 некоторое количество электронов втянется в канал, проводимость канала увеличится (режим обогащения). При подаче на затвор отрицательного потенциала U З < 0 часть электронов уйдет из канала, проводимость канала уменьшится (режим обеднения). Напряжение на затворе отрицательной полярности, необходимое для полного перекрытия канала, называют напряжением отсечки U отс. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы со встроенным каналом р -типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

а б

Рис. 5.5. Полевой МДП транзистор с индуцированным каналом n -типа:


а – структуратранзистора; б – схемное обозначение

 

 

В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 5.5) области истока и стока отделены друг от друга слоем полупроводника другого типа проводимости.

При потенциале на затворе положительной полярности U ЗИ < U инв канал между истоком и стоком отсутствует. При подаче на затвор достаточно высокого потенциала U ЗИ > U инв под ним индуцируется тонкий слой инверсной индуцированной проводимости, в результате чего возникает проводящий канал n -типа. Напряжение на затворе, при котором создается заметная проводимость канала, называется пороговым напряжением U пор. При увеличении U ЗИ проводимость канала возрастает, при уменьшении U ЗИ проводимость канала уменьшается. Напряжение отсечки U отс = U пор. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы с индуцированным каналом р -типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

В процессе работы полевого транзистора участвуют основные носители, находящиеся в канале транзистора, поэтому их также называют униполярными или канальными транзисторами. Для маломощных (менее 0,5 Вт) МДП транзисторов наиболее типичными являются размеры: толщина полупроводниковой пластинки ~ 150 мкм, толщина канала ~ 2-3 нм, длина канала ~ 5 мкм, толщина диэлектрика (SiO 2) ~ 0,15 мкм. В настоящее время разработаны также силовые полевые транзисторы большой мощности, способные управлять токами в несколько сотен ампер.

 

Включение МДП транзистора в статическом режиме

Рассмотрим работу полевого МДП транзистор с индуцированным каналом n -типа. Схема включения МДП транзистора в статическом режиме дана на рис. 5.6.

Источник U СИ обеспечивает ток в цепи “сток – исток”. Движение основных носителей по каналу в полевом транзисторе осуществляется от истока к стоку. В транзисторе с каналом n -типа носителями являются электроны, поэтому сток С соединяют с положительным полюсом источника U СИ (в транзисторе с каналом р -типа С соединяют с отрицательным полюсом источника). Источник U ЗИ создает положительное смещение в структуре З - SiO 2- р - П, которая представляет собой рассмотренный ранее МДПМ конденсатор. При U ЗИU пор под затвором индуцируется канал инверсной проводимости n -типа, соединяющий области стока и истока, в результате чего в цепи стока возникает ток.

Примерная зависимость I С(U ЗИ) при фиксированном значении U СИ (сток-затворная характеристика) дана на рис. 5.7. В статическом режиме работы ток в цепи затвора практически отсутствует, так как сопротивление пленки SiO 2, отделяющей затвор от полупроводниковой пластинки, составляет несколько ГОм.

Зависимость I С(U СИ) при фиксированном значении U ЗИ называют выходной характеристикой. Примерный вид выходных характеристик МДП транзистора с индуцированным каналом инверсионной проводимости при разных значениях U ЗИ (U ЗИ 3 > U ЗИ 2 > U ЗИ 1 > U пор) представлен на рис. 5.8.

 

 

Рис. 5.7 Рис. 5.8

 






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных