Польові транзистори з ізольованим затвором

Подальшим розвитком польових транзисторів є транзистори з ізольованим затвором. У них металевий затвор відділений від напівпровідникового каналу тонким шаром діелектрика. Інакше ці прилади називають МДН-транзисторами (від слів «метал-діелектрик-напівпровідник») або МОН-транзисторами (від слів «метал-оксид-напівпровідник»), оскільки діелектриком звичайно служить шар діоксиду кремнію SiO₂

На рис.7.13 показані структура польового транзистора з ізольованим затвором і його умовне графічне позначення. Основою служить кремнієва пластинка з електропровідністю типу р. В ній створені дві області з електропровідністю п ⁺-типу з підвищеною провідністю. Ці області є витоком і стоком. Від них зроблені виводи. Між витоком і стоком є тонкий приповерхневий канал з електропровідністю n -типу. Довжина каналу від джерела до стоку звичайно складає одиниці мікрометрів, а його ширина сотні мікрометрів і більше, в залежності від робочого струму транзистора. Товщина діелектричного шару діоксиду кремнію, який заштрихований, складає (0,1÷0,2)мкм. Зверху діелектричного шару розташований затвор у вигляді тонкої металевої плівки. Кристал МДН-транзистора звичайно сполучений з джерелом, і його потенціал приймається за нульовою так само, як і потенціал витоку. Іноді від кристала буває зроблений окремий вивід. Прилад з такою структурою називають транзистором з власним
(або вбудованим) каналом, і працює він таким чином.

Якщо при нульовій напрузі на затворі прикласти між стоком і витоком напругу, то через канал протікає струм, який є потоком електронів. Через кристал струм не проходить, оскільки один з р-n переходів знаходиться під зворотною напругою. При подачі на затвор напруги, від’ємної відносно витоку, а отже, і відносно кристала, в каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого електрони провідності виштовхуються з каналу в області витоку і стоку і в кристал. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується, і струм стоку зменшується. Чим більша від’ємна напруга затвора, тим менший цей струм. Такий режим транзистора називають режимом збіднення

Якщо ж на затвор подати додатну напругу, то під дією поля, створеного цією напругою, з областей витоку і стоку, а також з кристала в канал будуть надходити електрони; провідність каналу при цьому збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.

Розглянутий транзистор з вбудованим каналом, таким чином, може працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення. Це наочно показують його вихідні (стокові) характеристики, зображені на рис.7.14, і характеристика керування на рис.7.15. Як видно, вихідні характеристики МДН -транзистора подібні до вихідних характеристик польового транзистора з керуючим п-р -переходом. Це пояснюється тим, що при зростанні напруги U_в-с від нуля спочатку діє закон Ома і струм зростає приблизно пропорційно напрузі, а потім, при деякій напрузі U_в-с, канал починає звужуватися, особливо біля стоку. Оскільки на n-р -переході між каналом і кристалом зростає зворотна напруга, область цього переходу, збіднена носіями, розширяється і опір каналу збільшується. Таким чином, струм стоку витримує два взаємно протилежних впливи: від збільшення U_в-с струм повинен зростати згідно із законом Ома, але від збільшення опору каналу струм зменшується. У результаті струм стоку залишається майже незмінним до такої напруги U_с-в при якій наступає електричний пробій на кристал.

У тому випадку, якщо кристал має електропровідність n -типу, канал повинен бути р -типу і полярність напруги необхідно змінити на протилежну. Транзистор з вбудованим каналом р- типу на схемах зображають так, як показано на рис.7.13.в).

Іншим типом є транзистор з індукованим (інверсним) каналом (рис.7.16). Від попереднього він відрізняється тим, що канал виникає тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. При відсутності цієї напруги каналу відсутній, між витоком і стоком n⁺- типу розташований тільки кристал р -типу і на одному з n-р переходів завжди виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор додатну напругу, то під впливом поля затвора електрони провідності будуть переміщатися з областей витоку і стоку і з
р -області у напрямку до затвора. Коли напруга затвора перевищить деяке відкриваюче, або порогове, значення (одиниці вольт), то в приповерхневому шарі концентрація електронів настільки збільшиться, що перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі станеться так звана інверсія типу електропровідності, тобто утвориться тонкий канал
п -типу і транзистор почне проводити струм. Чим більше значення додатної напруги на затворі, тим більша провідність каналу і струм стоку. Таким чином, такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення, що видно з його вихідних характеристик (рис. 7.17) і характеристики керування (рис.7.18). Якщо підклад р -типу, то вийде індукований канал п -типу.

Параметри МДН -транзисторів аналогічні параметрам польових транзисторів з керуючим
п-р -переходом.

Коефіцієнт підсилення каскаду з МДН -транзистором обчислюється по формулі (7.6). Графоаналітичний розрахунок підсилення для каскадів на польових транзисторах виконують з допомогою сімейства вихідних характеристик аналогічно тому, як це було розглянуто для біполярних транзисторів. Проводять лінію навантаження, на яку наносять робочу точку, яка визнається постійною напругою на затворі, і відмічають робочу ділянку, яка відповідає заданому значенню вхідної напруги. Після цього визначають постійний і змінний струми стоку, постійну і змінну напруги в колі стоку, потужність і ККД (для малопотужних каскадів потужність і ККД неістотні). Так само розраховується імпульсний режим польових транзисторів.

Транзистори з ізольованим затвором мають переваги відносно температурних, шумових, радіаційних і інших властивостей, відмічених для польових транзисторів з n-р -переходом, і, крім того, мають ще ряд переваг. Опір ізоляції затвора у них являє собою вхідний опір постійному струму на низьких частотах і досягає
(10¹² ÷10¹⁵) Ом. Важливо, що вхідний опір залишається великим при будь-якій полярності напруги затвора (у польових транзисторів з керованим n-р -nepexoдом при прямій напрузі на затворі вхідний опір стає дуже малим). Вхідна ємність може бути меншою 1 пФ, і гранична частота доходить до сотень мегагерц. Розроблені потужні (до десятків ват) транзистори з ізольованим затвором, що мають крутизну 10 мА/В і більше і працюють на частотах до сотень мегагерц. Транзистори з ізольованим затвором можуть застосовуватися у всіх схемах, розглянутих вище (СВ, СЗ і СС). Потрібно зазначити, що виготовлення польових транзисторів за планарно-епітаксиальною технологією порівняно нескладне і спрощує створення мікроелектронних схем. Особливо просто виготовляються МДН-транзистори з індукованим каналом, оскільки в кристалі треба зробити лише дві області витоку і стоку. Для запам'ятовуючих пристроїв створені МДН-транзистори з діелектриком, що складається з двох шарів. Окрім диоксиду кремнію нанесений ще шар нітриду кремнію Si₃N₄ або оксиду алюмінію (алунда). Такі транзистори отримали відповідно назви МНОН-АОН-транзисторів. Нітрид кремнію і алунд мають дуже велике значення опору, у багато разів більше, ніж діоксид кремнію. При подачі на затвор імпульсу додатної або від’ємної напруги на границі між діелектриками утворюється відповідно від’ємний або додатний заряди. Такий заряд впливає на порогову напругу, тобто напругу, при якій виникає інверсний канал. Отже, транзистор може бути в одному з двох станів, які відповідають різним значенням порогової напруги. Кожне з цих станів може зберігатися дуже довго навіть при вимкненому живленні.

Один з способів підвищення граничної частоти МДН-транзисторів є укорочення каналу для зменшення часу пробігу носіїв від витоку до стоку. У транзисторах типу D-МДН, що виготовляються методом подвійної дифузії, канал утвориться по товщині тонкого шару напівпровідника. Довжина каналу виходить 1 мкм і менш, а гранична частота може бути
від 30 ГГц і більше.

У транзистора типу V-МДН в кремнієвій структурі протравлюється V-подібна канавка, на поверхні якої створюється плівка діоксиду кремнію і металізація для затвора. Як і в транзисторі D-МДН, довжина каналу визначається товщиною тонкого р -шару в 1 мкм, розташованого в глибині кристала.

Різновидністю польових транзисторів є транзистори з двома затворами. Вони призначені для подвійного керування струмом стоку, що використовується при перетворенні частоти. Випускаються також подвійні польові транзистори, у яких в одному корпусі розміщені два транзистори з самостійними виводами.

При роботі з МДН-транзисторами потрібно вживати заходів обережності для запобігання пробою тонкого шара діелектрика між затвором і каналом під дією статичних електричних зарядів, які можуть виникнути на ізольованому затворі. Необхідно, щоб при транспортуванні і монтажі електроди у транзисторів були закорочені накоротко. Ці закорочуючі провідники усувають тільки після закінченні монтажу, коли виводи вже впаяні у схему.