Полевые транзисторы. Важнейшей тенденцией совершенствования технологии производства полупроводниковых приборов является микроминиатюризация

Важнейшей тенденцией совершенствования технологии производства полупроводниковых приборов является микроминиатюризация. Гораздо более высоких плотностей упаковки интегральных микросхем можно добиться при использовании полевых[2] (канальных, униполярных) транзисторов. Биполярный транзистор занимает на пластине кристалла 0.01 – 0.06 квадратных миллиметра, а полевой: 0.001 – 0.002. Это происходит из-за того, что здесь не требуется специальная изоляция элементов друг от друга. Это обстоятельство предопределило использование полевых транзисторов для создания БИС, как одного из перспективных направлений микроэлектроники. Эти элементы дешевы и технологичны, отличаются малой потребляемой мощностью, большой нагрузочной способностью и помехоустойчивостью, но обладают меньшим быстродействием.

Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n переходом приведено на рис. 5.

В пластинке кристаллического кремния с проводимостью n-типа, диффузией акцепторной примеси через окно в слое окисла SiO₂ образована область с проводимостью р типа. Затем в этой же области диффузией донорной примеси образована область с проводимостью n типа с сильным легированием. Следующими операциями в изолирующем слое окисла образованы окна для контактных электродов и с помощью металлизации созданы контакты и выводы электродов истока (И), затвора (З) и стока (С) и подложки (n). Обычно подложка соединена с истоком.

Между истоком и стоком сформирован проводящий канал р типа толщиной около 1 мкм и длиной несколько мкм. Ширина канала (перпендикулярна плоскости чертежа) зависит от мощности транзистора. Между каналом и затвором существует плоскостной p-n переход. Если между затвором и каналом создано отрицательное напряжение более 0.6 В, переход становится проводящим. Для нормальной работы транзистора этот переход должен быть заперт, поэтому напряжение затвора относительно истока для транзистора с каналом р-типа должно быть положительным или равным нулю. Допустимо небольшое отрицательное напряжение не приводящее к отпиранию р-n перехода.

Напряжение стока относительно истока, а значит и относительно затвора должно быть отрицательным. Подача положительного напряжения на сток вызвала бы нежелательное отпирание p-n перехода. Отрицательное напряжение сток-исток вызывает ток в проводящем канале р-типа, изолированном от затвора и подложки запертыми р-n переходами.

Затвор является управляющим электродом. Изменяя на нем напряжение можно влиять на толщину проводящего канала, а следовательно изменять его сопротивление, что влияет на ток в проводящем канале и во внешней цепи (ток стока).

Напряжение затвор-исток, при котором ток стока равен нулю называется напряжением отсечки U_{ЗИ отс}. Для транзисторов с р-каналом напряжение отсечки положительно и равно 0.2 – 0.7 В. Для транзисторов с управляющим р-n переходом и каналом n-типа напряжение отсечки отрицательно, а напряжение сток –исток положительно.

Стоковые характеристики полевого транзистора показаны на рис. 6. В правой части (в области насыщения) графики идут почти параллельно оси абсцисс. В левой части (в линейной области) они идут в виде веерного пучка прямых линий, искривляющихся в верхней части. Такой ход характеристик объясняется тем, что левая веерообразная часть соответствует более или менее суженному каналу, а правая часть – каналу с очень малым, почти нулевым сечением.

В левой части характеристик – линейной области – меньшему положительному напряжению соответствует большее сечение проводящего канала. В правой части характеристик – в области насыщения- длина канала с максимально суженным сечением увеличивается при увеличении как положительного напряжения на затворе, так и отрицательного – на стоке. Обедненные слои почти смыкаются не только при u_зи = u_отс, но и при меньшем напряжении u_зи, когда между стоком и истоком приложено отрицательное напряжение. Это соответствует напряжению . Штриховая линия, соответствующая этому напряжению, (проходящая на графике через начало координат) является параболой.

Семейство характеристик в линейной области апроксимируется выражением

.

Дата добавления: 2014-01-15