Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-окисел-полупроводник (МОП).
Конструкция n-канального кремниевого транзистора с изолированным затвором показана на рис.7.22. На подложке p-типа проводимости диффузией или ионной имплантацией сначала создают две области n+-типа, которые будут служить истоком и стоком. После этого на поверхности кремния создается тонкий (толщиной d=15-1200А) изолирующий слой из собственного окисла (в транзисторах с МОП-структурой) или другого диэлектрика (в транзисторах МДП-структурой), на который затем наносится проводящий (металлический или поликремниевый) электрод – затвор. Такие транзисторы работают следующим образом. Пусть затвор соединен с истоком, т.е. Uзи=0. При этом канал отсутствует и на пути между стоком и истоком оказываются два встречновключенных p-n+ - перехода. Поэтому при подаче напряжения Uси ток в цепи ничтожно мал. Если на затвор подать отрицательное напряжение Uзи<0, то приповерхностный слой обогатится дырками; при этом ток мало изменится. Если же на затвор подавать все большее положительное смещение Uзи>0, то вначале образуется обедненный слой (объемный заряд акцепторов), а затем инверсионный слой электронов т.е. проводящий канал. После этого ток стока принимает конечное значение и зависит от напряжения на затворе. Это и есть рабочий режим транзистора. Поскольку входной ток (в цепи затвора) ничтожно мал, получается значительное усиление мощности, гораздо большее, чем у биполярного транзистора.
Рис.7.22.
Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина этих каналов практически неизменная (1-2нм), поэтому модуляция его проводимости обусловлена изменениями концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжение, и обозначают U0. Длина канала L равна расстоянию между слоями истока и стока, а ширина Z – протяженности этих слоев (рис.7.22).
Если выбрать подложку n-типа, а слои истока и стока p+-типа, то получится транзистор с индуцированным каналом p-типа. Он характерен обратными полярностями порогового и рабочих напряжений: Uзи<0, Uси<0, U0<0.
Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с n- и p-каналами, называют комплементарными схемами.
В принципе механизм работы транзисторов с n- и p-каналами одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Во-первых, n-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей – электронов примерно в три раза выше, чем дырок. Во-вторых, у n- и p-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказывается различной, и это отражается на величине порогового напряжения.
Различие в структуре приповерхностного слоя объясняется разным влиянием электронов, поступающих в него от донорных примесей, имеющихся в диэлектрике. В подложке n-типа эти электроны создают обогащенный слой, который препятствует образованию канала p-типа; соответственно, пороговое напряжение у p-канальных транзисторов увеличивается. В подложке p-типа те же электроны, рекомбинируя с дырками, создают обедненный слой, т.е. способствуют образованию n-канала; соответственно пороговое напряжение у n-канальных уменьшается.
Нередко концентрация электронов, поступивших из диэлектрика настолько велика, что в подложке p-типа образуется не только обедненный, но и инверсионный слой, т.е. n-канал. Поскольку такой канал существует при нулевом напряжении на затворе, его уже нельзя считать индуцированным (т.е. наведенным полем затвора). Значит, величина порогового напряжения теряет смысл. В транзисторах этого типа канал называется встроенным, а вместо порогового напряжения вводят параметр – напряжение отсечки. Это напряжение, при котором электроны равновесного инверсионного слоя отталкиваются от поверхности и канал исчезает. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения затвора: при положительной полярности канал обогащается носителями, и ток стока увеличивается, при отрицательной полярности канал обедняется носителями и ток стока уменьшается. Однако транзисторы с индуцированным каналом имеют гораздо большее распространение, хотя они работают только при одной полярности напряжения на затворе, - той, при которой возникает канал.
