ЛЕКЦИЯ 11. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.
1. Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом
Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.1. а, б, в и г соответственно. Основой для изготовления полевого транзистора является кристалл полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой. В ней созданы две сильнолегированные области с противоположным (типу проводимости подложки) типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между истоком и стоком небольшое – порядка нескольких микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким, порядка 0.1мкм, слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрока и полупроводника (МДП). В МДП-транзисторе со встроенным каналом у поверхности полупроводника имеется слой с инверсным, относительно подложки, типом проводимости. Если в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO2, то такие структуры носят название МДП (металл-окисел-полупроводник), а транзисторы – МДП-транзисторы.
Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом n –типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.2 (в вертикальном сечении под затвором вдоль оси х). В диаграмме сделано упрощение на границах металл-диэлектрик и диэлектрик- полупроводник n-типа не изображены искривления энергии дна зоны проводимости и верха валентной зоны. При этом использовано приближение плоских зон, согласно которому контактными разностями потенциалов (φк~0.1В) можно пренебречь по сравнению внешними напряжениями (U~1÷10В) и считать зоны плоскими.
Модуляция сопротивления проводящего канала МДП-транзистора может происходить при измерении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. Таким образом МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обогащения канала (зонная диаграмма приведена на рис.3), и режиме обеднения канала (зонная диаграмма показана на рис.4). На рис. 5 а и б представлены статические характеристики МДП-транзистора с каналом n-типа выходная и проходная. МДП-транзистор может работать без начального смещения. Затвор транзистора изолирован слоем диэлектрика, поэтому его входное сопротивление высокое 1÷10Мом.
Ширину канала можно изменять с изменяя напряжение на подложке, зто удоьно для модуляции.
В МДП-транзисторах могут произойти два вида электрического пробоя: 1. Лавинный пробой p-n-перехода под стоком (сток – подложка); 2. Тепловой пробой диэлектрика под затвором (затвор – канал). Механизм теплового пробоя: на барьерной емкости затвора накапливается статический электрический заряд, из-за дефектов в тонком слое диэлектрика, образуется тонкий шнур тока. В нем происходит локальное повышение температуры, что вызывает экспоненциальное увеличение количества пар электрон-дырка, сопротивление проводящего канала уменьшается и барьерная емкость разряжается с выделением добавочного тепла в тонком канале. Транзистор необратимо выходит из строя. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором необходимо защищать от статического электричества: хранить с закороченными выводами, паять на заземленном металлическом столе, паяльником с заземленным жалом, а оператору работать с заземляющим браслетом на руке.
2. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом
Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом p и n –типов и их условные изображения в электрических схемах показаны на рис.6. а,
б
, в и г соответственно. Образование встроенного канала с инверсным типом проводимости при контакте металл-узкозоный проводник подробно описано в Лекции 6. “Контакты металл-полупроводник”.
Зонная диаграмма полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа в режиме обогащения показана на рис.7. Диаграмма изображена в сечении вдоль оси х см. рис.6.б.
Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором с каналом n-типа приведены на рис.8 а и б.
3. Комплиментарные металл-окисел-полупроводник структуры
Комплиментарные (дополнительные по типу проводимости) МОП структуры (КМОП) состоят из двух полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом, один из которых имеет канал p-типа, а другой – n-типа. Схема включения КМОП-структуры показана на рис.9, а. Пороговое напряжение МОП транзистора с каналом n-типа – Uпор1, а с каналом p-типа – Uпор2. Если подать на вход схемы напряжение питания U>Uпор1, то в нижнем транзисторе образуется индуцированный канал n-типа. В верхнем транзисторе канала нет. На выходе схемы будет напряжение Uвых=0. Если подать на вход Uвх=0 (соединить вход с “нулевым” проводом), то при Uпит>Uпор2, в верхнем транзисторе образуется индуцированный кнал p-типа. В нижнем транзисторе канала нет. Выходное напряжение будет равно напряжению питания Uвых=U. Получился типичный инвертор напряжения.
Ч
ем КМОП структура лучше простого инвертора (рис.9, б)? Сравним проходные характеристики КМОП структуры и простого (рис.10, а и б). Если простой инвертор находится в открытом состоянии, то через него течет максимальный ток, если в закрытом, то тока практически нет. Через КМОП структуру ток течет только в момент ее переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В обоих устойчивых состояниях ток не течет. В микропроцессорах много переключающих элементов, их обычное состояние – половина открыта, а половина закрыта. Поэтому в статическом положении микропроцессоры на обычных инверторах потребляют большую энергию, а КМОП структуры ее не потребляют. Поэтому КМОП структуры выгоднее применять в устройствах у которых мала частота переключения, например в электронных часах. Обычные инверторы выгоднее применять при больших частотах переключения.
4. V-МОП -транзисторы
Для создания мощного полевого транзистора необходимо учесть особенности работы мощных транзисторов:
1) Работа при выходных больших токах I и больших плотностях токов J, для этого надо создать транзистор с большой крутизной проходной характеристики,
2) Для обеспечения большой мощности в нагрузке используют источники питания с большим напряжением, поэтому транзистор должен работать с большими напряжениями на стоке Uс,
3) Необходимо иметь большой коэффициент полезного действия η для этого должно быть малое падение напряжения на полностью открытом канале, т.е. внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения rнас должно быть мало,
4) Конструкция мощного транзистора должна обеспечивать эффективный теплоотвод,
5) Мощные транзисторы должны быть достаточно быстродействующими.
П
лотности токов J для Ge – 100А/см2, Si – 200А/см2, GaAs – 100А/см2, поэтому мощные транзисторы как правило изготавливают на основе кремния. На рис.11 приведен вид сверху на маломощный полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа. Укорачивая длину затвора l при постоянной ширине канала h можно уменьшить сопротивление канала. Расширяя канал при постоянной длине канала можно пропускать большие токи. Крутизна проходной характеристики 
, поэтому у мощного транзистора должен быть короткий широкий канал. Но, приближая исток к стоку можно получить электрический пробой при малых напряжениях на стоке Uс. Лавинный пробой происходит через тонкий слой диэлектрика (или по поверхности) между истоком и затвором.
Для устранения этого противоречия и создания мощных транзисторов, рассчитанных на большие токи с большой крутизной S, делают V-образные структуры как показано на рис.12. При такой конструкции получается транзистор с коротким и широким каналом, в котором затвор и сток пространственно разнесены. Для уменьшения rнас используют высоколегированные области n+ под истоком и над стоком. Для увеличения выходного тока на одном кристалле изготавливают несколько транзисторов и включают их параллельно. Для отвода тепла на массивный электрод стока устанавливают внешний радиатор.
5
. МНОП -структуры
Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом можно использовать в качестве элемента памяти. Для этого под затвором транзистора размещается слой нитрида кремния Si3N4, Как показано на рис.13. Такая структура металл-нитрид-окисел-полупроводник называется МНОП-структурой. В нитриде кремния много ловушек для электронов. При подаче на затвор большого положительного напряжения Uзап=+30В происходит туннелирование неосновных носителей –электронов из подложки Si-p-типа, через тонкий слой диэлектрика SiO2 в нитрид кремния. В нитриде кремния накопившийся заряд может храниться долго порядка 10 лет, т.к. токи утечки через диэлектрик малы. На рис.14 приведены ВАХ МНОП-структуры без заряда под затвором (синяя линия) и с накопленным зарядом (красная линия). Из рисунка видно, что без заряда пороговое напряжение образования индуцированного канала невелико Uпор1~2В, накопленный заряд экранирует внешнее электрическое поле и увеличивает пороговое напряжение до Uпор2~15В. Таким образом, при наличии напряжения на стоке Uc=5В и подаче на затвор считывающего напряжения Uсч=5В индуцированный канал возникает, если под затвором нет заряда и не возникает если заряд есть.
Для перепрограммирования элемента памяти необходимо рассосать заряд под затвором, подав на затвор большое отрицательное напряжение стирания Uстир=–30В. При этом электроны из нитрида кремния туннелируют через тонкий слой диэлектрика в кристалл Si-p-типа, отрицательный заряд рассасывается и пороговое напряжение уменьшается до Uпор1.
5. МОП –структуры с “плавающим” затвором
Недостаток элемента памяти на МНОП-структуре состоит в том, что при перепрограммировании напряжение стирания необходимо подавать на затвор каждого элемент памяти. Для ускорения процесса стирания информации применяют элементы памяти на МОП –структурах с плавающим затвором (рис.15). В этих структурах отсутствует металлический электрод затвора, а диэлектрике имеется слой поликристаллического кремния. Поликристаллический кремний имеет много дефектов, которые являются ловушками для дырок. Такой скрытый слой – накопитель положительного заряда выполняет функции затвора и называется “плавающим” затвором.
Запись информации происходит путем поверхностного пробоя промежутка исток-сток через диэлектрик и слой поликристаллического кремния. Дырки накапливаются в поликристаллическом кремнии и на “плавающем” затворе образуется положительный заряд. Из глубины кристалла Si-n-типа к поверхности притягиваются электроны (неосновные носители) и между истоком и стоком образуется проводящий канал n-типа. Слой поликристаллического кремния изолирован от полупроводника слоем диэлектрика с малыми током утечки, поэтому заряд на “плавающем” затворе сохраняется долго порядка 10 лет. Пока сохраняется заряд существует и проводящий канал. Для стирания заряда МНОП-структура засвечивается сверху ультрафиолетовым излучением. Дырки получают дополнительную энергию и могут туннелировать через тонкий слой диэлектрика в полупроводник. Заряд в “плавающем” затворе рассасывается и индуцированный канал исчезает. В м
икросхемах памяти делают специальные окошечки прозрачные для ультрафиолетового излучения, и стирание информации происходит сразу на всех ячейках памяти.