.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Полевые транзисторы

 Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и стоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

 Каналом называют центральную область транзистора. Электрод из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком,  а электрод, через который основные носители уходят из канала, стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

  Поскольку в полевых транзисторах только определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение носителей заряда одного знака.

 Полевой транзистор с управляющим переходом полевой транзистор, у котрого затвор электрически отделен от канала закрытым  переходом.

 Полевые транзисторы изготавляют двух типов: с затвором в виде  перехода и с изолированным затвором. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n каналом и управляющим   переходом показаны на (рисунке 14.6). В две противоположные боковые поверхности основной p пластины вплавлены пластинки типа n. На границе раздела пластин n и p возникают электронно дырочные переходы.

 Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с  переходом и каналом n типа показаны на рисунке 14.7. Они отражают зависимость тока стока от напряжения стокисток при фиксированном напряжении затвор исток при фиксированном напряжении затвор исток  и представляются в виде семейства кривых.

 3

 2 2 Rн сопротивление нагрузки

 2

  вход

 

 1 1 3

 1сток, 2затвор, 3исток

  Рис. 14.6

 В рабочем режиме между стоком и истоком приложена разность потенциалов + Uс и по каналу течет ток, который образует падения напряжения на сопротивлении материала канала.

 Зависимость тока стока Iс от напряжения на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора. На начальном участке характеристик ток стока Iс возрастает с увеличением Uзи. При повышении напряжения стокисток происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения).

 Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою p n перехода между затвором и

 


 Рис. 14.7

каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f(Uзи) график показан на рисунке 14.7б.

 Основные параметры полевых транзисторов:

крутизна характеристики передачи

  при Uси = const

дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

  при Uзи = const

коэффициент усиления сопротивления

 .

 Повышенный интерес к этим приборам обусловлен их высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью требуемых параметров, а также меньшей стоимостью по сравнению с биполярными транзисторами. Из электрических параметров полевые транзисторы отличает их высокое входное сопротивление.

14.7. Полевой транзистор с изолированным затвором 

 Полевой транзистор с изолированным затвором полевой транзистор, затвор котрого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора Iэ между металлическими затворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно оксид кремния, а переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДПтранзисторами (МДП металл диэлектрик полупроводник) или МОП транзисторами (МОП металл оксид полупроводник).

Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов 10121014 Ом.

 Принцип действия МДП транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП транзисторы выполняют двух типов со встроенным и с индуцированным каналом. МДП транзисторы представляют собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является взвод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП транзисторы могут быть с каналом n или p типа.

 Рассмотрим особенности МДП транзисторов со встроенным каналом. Конструкця такого транзистора с каналом n типа показана на рисунке 14.8. В исходной пластине кремния р типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала n типа. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.

 При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой (Uзи = 0).

 


 рисунок 5.8

 Рис. 14.8

 Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рисунке 14.9а. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с переходом. Рассмотрим характеристику при Uзи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток сток положительным полюсом к стоку. Поскольку Uзи = 0, через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала.

 

 


 Рис. 14.9

 В случае приложения к затвору напряжения (Uзи < 0) после затвора оказывает отталкивающее действие на электроны носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. Режим работы транзистора Uзи = 0, при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения..

 


 Рис. 14.10

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n типа на рисунке 14.9 а. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости Iс =F(Uси). Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Ucи . Ток Ic равен нулю при Uзи = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Вид сто к о з а т в о р н о й х а р а к т е р и с т и к и т р а н з и с т о р  а с и н д у ц и р ов а н н ы м к а н а л о м показан на рисунке .9б, МДП транзисторы  обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы  с p n переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление ri. Что касается входного сопротивления и межэлектронных ёмкостей, то МДПтранзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с pn переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 1012 1014 Ом. Значение межэлектронных ёмкостей не превышает: для С зи, Сси 10 пФ, для Сзс 2пФ. Схема замещения МДПтранзисторов аналогична схеме замещения полевых транзисторов с pn переходом МДПтранзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МДПтранзисторах обладают  хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.

 


  Рис. 14.11

Условные обозначения МДПтранзисторов показаны на рисунке 14.11.

Термины и определения предметной области

Основные термины и определения в области конструирования и производства микросхем определены стандартом ГОСТ 17021, согласно которому:

Полупроводниковая ИМС — микросхема, элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводниковой пластины.

Пленочная ИМС — микросхема, элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки.

Частными случаями пленочных ИМС являются тонкопленочные и толстопленочные ИМС.

Тонкопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пленок до 1мкм, элементы которых изготовляются преимущественно методами вакуумного распыления и осаждения.

Толстопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пленок 10–70 мкм, элементы которых изготовляются методами трафаретной печати (сеткография).

Гибридные ИМС — микросхемы, часть электрорадиоэлементов (ЭРЭ) которых являются компонентами.

Микросборка (МСБ) — микросхема, состоящая из совокупности электрически соединенных компонент, размещенных на общем несущем основании.

Элемент — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию ЭРЭ (транзистор, диод, резистор, конденсатор и др.), которая выполнена нераздельно от кристалла или платы и не может быть выделена как самостоятельное изделие.

Компонент — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию ЭРЭ, которая по конструкторской документации представляет собой самостоятельное изделие в части конструктивного исполнения, испытаний, сборки, монтажа.

Кристалл — часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Базовый кристалл — кристалл, в котором конструкцией предусмотрена возможность нанесения специальных соединений, изменяющих функцию, выполняемую кристаллом.

Базовый матричный кристалл — кристалл, на котором сформированы группы элементов, выполняющих одинаковые функции, и предназначен для создания ИС различного функционального назначения.

Плата — диэлектрическое основание со сформированными и размещенными на его поверхности элементами и компонентами.

Пластина — полупроводниковое основание, на котором одновременно формируется совокупность кристаллов.

Корпус ИМС — часть микросхемы, предназначенная для защиты кристалла или платы от внешних воздействий и монтажа в конструкциях более высоких уровней конструктивной иерархии.

Серия ИМС — совокупность ИМС, выполняющих различные функции, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, совместимые электрические параметры и единые эксплуатационные показатели.

Оригинал — чертеж технологического слоя структуры ИМС, предназначенный для исполнения фотошаблона. Оригинал выполняется с увеличением в зависимости от размеров минимальных геометрических фрагментов на кристаллах и платах и допустимой погрешности их исполнения.

Фотошаблон — фото- (или иная) копия оригинала, выполненная в масштабе от 1:1 до 1: 10 к размерам кристалла или платы на материале, пригодном для избирательного проецирования через него рисунка литографического рельефа на чувствительном маскирующем слое.

Топологический чертеж — это чертеж, несущий сведения о форме, размерах и взаимном расположении границ элементов кристалла или платы. Топологические чертежи могут быть общими и послойными. Используются для создания технологических оригиналов слоев.


На главную