Полевые транзисторы

Устройство МДП транзисторов
Термин «МДП-транзистор» используется
для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод (затвор) отделен от активной области
диэлектрической прослойкой (изолятором). Основным элементом для этих транзисторов
является структура металл-диэлектрик-
-полупроводник.
МДП-транзистор изготавливается
на монокристаллическом п/п (подложке).
Две сильнолигированные области
противоположного с подложкой типа
проводимости: исток и сток. Область,
находящаяся под затвором между
истоком и стоком: канал. Диэлектрический слой, расположенный между затвором и каналом: подзатворный диэлектрик.

МДП-транзистор
В полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называются униполярными.
Физической основой работы МДП транзистора является эффект поля. В структурах МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод (затвор) относительно полупроводниковой подложки.
В зависимости от знака и величины приложенного
напряжения различают три состояния
приповерхностной области полупроводника:
обогащение, обеднение и инверсия.
Обогащение: Этому состоянию
соответствует знак напряжения
на металлическом электроде (затворе),
притягивающий основные носители
(для n-типа, VG > 0, ψs > 0).

Обеднение: Этому состоянию
соответствует небольшое по величине
напряжение, отталкивающее основные
носители (для n-типа, VG < 0, ψs < 0).
Инверсия: Такому состоянию
соответствует большое по величине
напряжение на затворе, соответствующее
значительным изгибам зон и вызывающее
обогащение поверхности неосновными
носителями заряда
(для n-типа, VG << 0, ψs < 0).

Характеристики МОП ПТ в области плавного канала
Рассмотрим п/п представленный на рисунке со следующими условиями:
1. Токи через р‑n переходы истока, стока и подзатворного диэлектрика равны нулю.
2. Подвижность электронов μn постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS.
3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Еz существенно больше тангенциальной Еy.

Ток в канале МДП‑транзистора, изготовленного на подложке р‑типа, обусловлен
свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Еу
обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно закону Ома, плотность тока:
где V – падение напряжения от истока до точки канала с координатами (x, y, z).
Полный ток канала ID будет равен:
Уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу площади:

Полный заряд на металлической обкладке МДП‑конденсатора Qm равен:
где Vox – падение напряжения на окисном слое, Сox – удельная емкость подзатворного диэлектрика.
Описание порогового напряжения VТ как напряжения на затворе VGS, соответствующего
открытию канала в равновесных условиях:
Уравнение, описывающее вольт‑амперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала:

Характеристики МОП ПТ в области отсечки
По мере роста напряжения исток‑сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:
Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала или отсечка произойдет у стока. Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V*DS. С ростом напряжения стока VDS точка канала, соответствующая условию отсечки, сдвигается от стока к истоку.
В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение, не зависящее от напряжения исток‑сток.

Выражение для тока стока:
Соотношение представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП‑транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока IDS от напряжения на затворе VGS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS – проходными характеристиками транзистора.

При значительных величинах напряжения исток‑сток и относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечки VDS* падает на меньшую длину канала. Это вызовет увеличение тока IDS канала.
ВAX МДП‑транзистора с учетом модуляции длины канала имеет следующий вид:

Эффект смещения подложки
Приложенное напряжение между истоком и подложкой Vss при условии наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р‑n перехода.
В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р‑n перехода. Эти токи попадут в стоковую цепь и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки , Vss соответствующее обратному смещению индуцированного и истокового р‑n перехода. По полярности это будет напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных акцепторов:

Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП‑транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения QB вырос, заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться.
С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП‑транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.
При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение транзистора VТ. Изменение порогового напряжения будет равно:

Малосигнальные параметры
МДП-транзистора
Крутизна переходной характеристики S:
Эта величина характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.
Внутреннее сопротивление Ri:
Оно характеризует изменение напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе.

Коэффициент усиления μ:
Этот коэффициент характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной и неизменном токе стока.
Очевидно, что в области плавного канала крутизна S и дифференциальное сопротивление Ri будут иметь значения:
При этом коэффициент усиления μ, равный их произведению, всегда меньше единицы:
Таким образом полевой МДП‑транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала.

Влияние типа канала на ВАХ-и
МДП-транзисторов
Вид ВАХ МДП-транзистора в значительной мере зависит от типа п/п-ой подложки и типа инверсионного канала. Канал, который отсутствует при нулевом напряжении на затворе VG=0, а при увеличении VG появляется - называется индуцированным. Канал, который при нулевом напряжении на затворе VG=0 уже сформировался - называется встроенным.
МДП-транзистор с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда закрыт. Если же канал встроенный, то при VG=0 такой транзистор всегда открыт.
ВАХ n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом:

ВАХ p-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом:
ВАХ n-канального МДП-транзистора со встроенным каналом:

ВАХ p-канального МДП-транзистора со встроенным каналом:

ВАХ МДП-транзистора в области сильной и слабой инверсии
Для области сильной инверсии, т.е. в приближении плавного канала, ВАХ МДП‑транзистора выглядит следующим образом:
Ее вид совпадает с ВАХ для полевого транзистора в области плавного канала:

Множитель n – число, характеризующее отношение емкости поверхностных состояний Cxx и емкости обедненной области СВ к емкости подзатворного диэлектрика Сox. Значения n могут лежать для реальных МДП‑структур в диапазоне 1÷5.
Величина m равна:
CB*–емкость обедненной области при пороговом значении поверхностного потенциала ψs, 2φ0.
ВАХ МДП‑транзистора для области слабой инверсии:

МДП-Транзистор как элемент памяти
Рассмотрим RC‑цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором, приведенную на рисунках а, б.
Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю.
Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р‑n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит. Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор – МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица.
МДП‑транзистор в качестве элемента запоминающего устройства а) открытое состояние; б) закрытое состояние

МДП-Транзистор как элемент энергозависимой памяти.
Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к затворному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП-транзистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым образом можно было бы менять пороговое напряжение VT.

Конструкция МНОП-транзистор
На рисунке приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП-транзистора.
В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (dox < 50 Å) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика исполь­зуется толстый (d ≈ 1000 Å) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2.

Зонные диаграммы МНОП‑транзистора
в различных режимах работы
На рисунке а приведена зонная диаграмма МНОП‑транзистора. Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в МНОП‑транзисторе при работе в режиме запоминающего устройства. При подаче импульса положительного напряжения +VGS на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает, как показано на рисунке б, туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -VGS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, как показано на рисунке в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП‑структуры снова имеет вид, как на рисунке а, и инверсионный канал исчезает.
а) напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены б;) запись информационного заряда; в) стирание информационного заряда

МОП-Транзистор с плавающим затвором
Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы и устройству похож на МНОП‑транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными
диэлектрическими слоями. Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рисунке б.
В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором.

Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором
На рисунке a приведена зонная диаграмма такого транзистора. Рисунок б поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор. На рисунке в приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.
а) напряжение на затворе VGS равно нулю, плавающий затвор не заряжен; б) процесс записи информационного заряда импульсом напряжения +VGS; в) МОП ПТ при нулевом напряжении на затворе в режиме хранения информационного заряда

Основные соотношения для МОП ПТ с плавающим затвором
Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда Qox(τ) равна:
Как видно из зонной диаграммы, инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением:
где I(t) – величала инжекционного тока в момент времени t.
Постоянные величины А и В, входящие в уравнение, зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.

Основные соотношения для МОП ПТ с плавающим затвором
Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q(τ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поля Еоx в первом диэлектрике. Величина электрического поля Еох, обуславливающая туннелирование :
Из последних трёх уравнений следует, что при малых временах τ наполненный заряд Q(τ) мал и линейно возрастает со временем τ, поскольку поле в окисле Еох и туннельный ток I(t) постоянны. При больших временах наступает насыщение наполнения инжектированного заряда Q(τ). Последние три соотношения позволяют на основе расчета выбрать наиболее оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.

Полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода
Прибор состоит из области с проводимостью n- (или р-) типа, имеющей омические контакты, называемые истоком и стоком, и двух областей р- (или n-) типа, называемых затворами. На рис. 1,а показан случай нулевого напряжения на всех электродах. За счет наличия обедненных областей вблизи р- n-переходов толщина проводящего канала между истоком и стоком меньше геометрического сечения n-области. Если к затворам приложить обратное смещение , то размеры областей пространственного заряда (ОПЗ) увеличиваются и толщина проводящего канала еще более уменьшается ( рис. 1,б). При приложении к стоку положительного по отношению к истоку напряжения по каналу течет ток основных носителей (электронов), а толщина ОПЗ у стокового конца затвора увеличивается вследствие возрастания обратного напряжения между затвором и каналом (рис. 1, в).

Таким образом, возрастание приводит к увеличению сопротивления канала за счет уменьшения горловины вблизи стока. При достаточно больших значениях области пространственного заряда смыкаются (рис. 1,г) и дальнейшее увеличение практически не вызывает возрастания тока (режим насыщения). Напряжение между затвором и стоком, соответствующее смыканию ОПЗ, называется напряжением насыщения . Следует отметить, что канал может быть полностью перекрыт только при =0. При работе прибора в режиме насыщения вблизи стока существует очень узкая проводящая область, в которой плотность тока и электрическое поле велики. На стоковых характеристиках ПТУП (рис. 2,а) точки пересечения штриховой линии с кривыми (/) соответствуют началу режима насыщения.

Вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р‑n
На практике при насыщении все же наблюдается незначительное возрастание тока с ростом (рис. 2,б). Это возрастание связано с распространением ОПЗ по направлению к стоковому контакту и частично с увеличением электрического поля в канале. За счет расширения области смыкания в сторону истока стока возрастает так, как если бы длина затворов уменьшалась, а толщина канала оставалась постоянной. Это явление, называемое эффектом укорочения канала, определяет конечную величину сопротивления канала при увеличении .

Микроминиатюризация МДП‑приборов
Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП‑приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями.

Таблица 4. Микроминиатюризация процессоров Intel

P.S
применение ПТ
Полевой транзистор - сенсорный датчик. Слово "сенсор" означает чувство, ощущение, восприятие. Поэтому можем считать, что в нашем эксперименте полевой транзистор будет выступать в роли чувствительного элемента, реагирующего на прикосновение к одному из его выводов.
Помимо транзистора (рис. 3), например, любого из серии КП103, понадобится омметр с любым диапазоном измерений. Подключите щупы омметра в любой полярности к выводам стока и истока - стрелка омметра покажет небольшое сопротивление этой цепи транзистора.
Затем коснитесь пальцем вывода затвора. Стрелка омметра резко отклонится в сторону увеличения сопротивления. Произошло это потому, что наводки электрического тока изменили напряжение между затвором и истоком. Увеличилось сопротивление канала, которое и зафиксировал омметр.