Логические элементы на полевых транзисторах

Наряду с элементами на биполярных транзисторах в микроэлектронике широко используются элементы на полевых транзисторах, которые считаются лучшими элементами для больших интегральных схем.

Из полевых транзисторов (ПТ) при создании ЛЭ наибольшее распространение получили ПТ с изолированным затвором. Они имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник и кратко называются МДП-транзисторами. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел полупроводника, отсюда другое название – МОП-транзисторы.

Различают МДП-транзисторы с индуцированным каналом и МДП-транзисторы со встроенным каналом.

Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом p- типа показана на рис. 5.18а.

исток

сток

затвор

SiO2

p +

p +

EC

UЗИ

+

+

–

–

канал

Подложка n -типа

EЗП

а)

б)

в)

З

С

П

И

С

П

И

З

Рисунок 5.18. Принцип действия МДП-транзистора

 

В подложке из кремния n-типа с высоким удельным сопротивлением методом диффузии созданы две сильно легированные области p⁺-типа. Эти области отделены друг от друга встречно включенными ЭДП p⁺-n и n-p⁺. Поэтому если между этими p⁺-областями включить источник внешнего напряжения E_c, то при любой его полярности один из ЭДП окажется включенным в обратном направлении и в цепи будет протекать очень незначительный ток, являющийся обратным током закрытого ЭДП.

На поверхности полупроводника между p⁺-областями создают тонкий слой диоксида кремния SiO₂, обладающего высокими диэлектрическими свойствами. На этот слой напыляется металлическая пленка, служащая управляющим электродом – затвором. Если к металлическому затвору приложить отрицательное относительно подложки напряжение, то под действием возникшего электрического поля с напряженностью E_зП электроны начнут уходить от поверхности в глубину подложки, а дырки, наоборот, будут поступать из глубины подложки к ее поверхности. При некотором значении напряжения между затвором и подложкой концентрация дырок в приповерхностном слое подложки оказывается больше концентрации электронов, т. е. в приповерхностном слое подложки между p⁺-областями образуется область с электропроводностью p-типа. Это явление называют инверсией электропроводности, а образовавшийся в приповерхностном слое p-слой – каналом. Теперь если между p⁺-областями включить источник внешнего напряжения E_с, то в образовавшейся электрической цепи потечет ток, создаваемый движением основных носителей заряда (дырок). Область p⁺, от которой начинается движение основных носителей, называется истоком, а область p⁺, к которой эти носители движутся – стоком. Сила протекающего тока, называемого током стока I_с, зависит от толщины (ширины) канала, которую можно изменять изменением напряжения на затворе U_зи (исток электрически соединяется с подложкой).

Напряжение U_зи, при котором появляется инверсия электропроводности приповерхностного слоя подложки, называется пороговым и обозначается U_зипор.

При увеличении абсолютного значения отрицательного напряжения U_зи ширина канала увеличивается, что приводит к уменьшению его сопротивления и увеличению тока стока I_c.

Условное обозначение МДП-транзистора с каналом p-типа показано на рис. 5.18б.

Если использовать подложку p-типа со встроенными n⁺-областями стока и истока, то получится МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа. В таком транзисторе на затвор и на сток необходимо подавать положительные напряжения. Условное обозначение МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показано на рис. 5.18в.

 

Статические характеристики МДП-транзисторов с индуцированным

Каналом

Эти характеристики отражают зависимость тока стока от напряжений U_зи и U_си. Практическое применение получили статические сток-затворные и стоковые, или выходные, характеристики.

 

Рисунок 5.19 Сток-затворные характеристики МДП-транзистора

 

На рис. 5.19а приведены сток-затворные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа, а на рис. 5.19б – МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Как видно из этих характеристик напряжение Uси оказывает слабое влияние на ток стока, поэтому часто вместо семейства приводится одна сток-затворная характеристика.

Выходные, или стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показаны на рис. 5.19в. Они похожи на выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ, но в отличие от них при разных значениях U_зи восходящие участки имеют различную крутизну. На стоковых характеристиках можно выделить две области: крутую (1) и пологую (2).

Связь между током стока I_c и напряжениями на электродах МДП-транзистора с индуцированным каналом определяется уравнениями Хофстайна. Для крутой области характеристик

I_c = K[(U_зи-U_{зи пор})U_cи-0,5U²_cи],

где K – удельная крутизна, измеряемая в А/В² и зависящая от размеров канала и материала диэлектрика.

Для пологой области характеристик

I_c = 0,5 K(U_зи-U_{зи пор})².