МОП транзисторы с индуцированным каналом


Современные интегральные логические элементы, микросхемы памяти микропроцессоры и микроконтроллеры часто построены на полевых транзисторах типа “металл-окисел-полупроводник” (МОП) с индуцированным каналом.

Эскиз, поясняющий устройство такого транзистора может иметь вид:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

Основу транзистора составляет подложка — пластина полупроводника с примесной (например типа p) проводимостью. На подложке в непосредственной близости друг от друга сформированы области истока и стока имеющие прмесную проводимость противоположного типа (в нашем случае типа n). При этом между стоком и подложкой и истоком и подложкой образуются p-n-переходы.

Поверхность подложки между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика — двуокись кремния.

На внешнюю поверхность диэлектрика нанесен тонкий слой металла — затвор.

На схемах полевой транзистор рассмотренной структуры изображают следующим образом:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

Предположим вначале, что затвор соединен с подложкой следующим образом:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

В этом случае цепь сток-исток можно рассматривать как два диода соединенные последовательно и встречно:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

Сопротивление такой цепи имеет порядок 109 Ом, т.е. практически бесконечно — транзистор закрыт.

Подадим далее на затвор положительный потенциал относительно подложки, используя следующую схему:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

Затвор при этом получает положительный заряд, который взаимодействует с носителями тока в подложке, стока и истока. Понятно, что дырки подложки будут отталкиваться от затвора, а электроны стока и истока напротив притягиваться к затвору в результате конфигурация p-n переходов в транзисторе меняется, они приближаются друг к другу. Если напряжение затвор-подложка превысит некоторое пороговое значение, то все дырки будут вытеснены из-под затвора, а области стока и истока сомкнутся, образуя индуцированный канал n-типа. Эскиз этого состояния транзистора имеет вид:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

В этом случае сток-исток можно рассматривать как линейное электрическое сопротивление. Его величина зависит от напряжения затвор-подложка и может в пределе достигать сотен и даже десятков Ом (в мощных транзисторах до долей Ома). В таком режиме транзистор открыт.

Кроме МОП транзисторов с индуцированным каналом n-типа существуют симметричные или как говорят комплементарные им транзисторы с индуцированным каналом p-типа. По конструкции они аналогичны, но имеют подложку типа n и открываются отрицательным напряжением затвор-подложка. Условное обозначение МОП транзисторов с индуцированным каналом имеет вид:

 МОП транзисторы с индуцированным каналом

Входная цепь рассмотренных транзисторов представляет собой по сути дела конденсатор структуры МОП (“металл-окисел-полупроводник”). С одной стороны это очень удобно т.к. входная цепь практически не потребляет от внешней схемы активного тока и мощности. С другой стороны это вынуждает принимать меры против воздействия на транзистор статического электричества т.к. пробивное напряжение этого МОП конденсатора всего 30÷50В.

Типичное значение электростатического потенциала

 

механизм влажность
10…20% 65…90%
ходьба по ковру

ходьба по линолеуму

работа за электромонтажным столом

работа на стуле с обтяжкой
35000 В

12000 В

6000  В

18000 В
1500 В

250  В

100  В

1500 В

В реальных схемах цепи затвор-подложка и сток-исток МОП транзисторов обычно питаются от общего источника. В этих условиях свойства транзистора и его работоспособность существенно зависят от соотношения потенциалов на его электродах. Здесь возможно превращение линейной вольтамперной характеристики открытого канала в нелинейную, а также отпирание внутренних p-n-переходов транзистора. Последний режим является аварийным и не должен использоваться на практике.