Полевой транзистор - структура устройства и принцип действия

Полевой транзистор усилительного типа (в частности, МОП-транзистор) является наиболее распространённым типом полевых транзисторов.

Термин МОП - «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET - the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) отражает историческую структуру, хотя сегодня металл в затворе часто заменён поликремнием. Альтернативное название — полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET - insulated-gate field-effect transistor) — подчеркивает ключевую особенность: электрическую изоляцию затвора от канала оксидным слоем, что обеспечивает чрезвычайно малый ток затвора (порядка \(10^{-15}\) А).

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых протекание тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление величиной тока в полевых транзисторах осуществляется поперечным электрическим полем, за счет чего они и получили свое название.

1. Структура устройства

Основные элементы и особенности структуры n-канального МОП-транзистора усилительного типа:

Рисунок 1 - Структура n-канального МОП-транзистора

На рисунке показаны основные элементы транзистора: Сток (D), Затвор (G), Исток (S), Подложка (B), области истока и стока n+, p-подложка, изолятор SiO₂, кремниевая пластина, область канала (W, L).

• Подложка: Транзистор формируется на монокристаллической кремниевой пластине p-типа, которая служит как механической опорой, так и функциональной частью устройства (в интегральных схемах — всей схемы).
• Области истока и стока: В подложке создаются две сильно легированные n-области — исток (S) и сток (D), обозначаемые как n⁺. Степень легирования указывает на высокую концентрацию донорных примесей.
• Затвор: Над областью между истоком и стоком наносится тонкий слой диоксида кремния (SiO₂) толщиной \(t_{ox}\), обычно в диапазоне 1–10 нм. Сверху на этот изолятор наносится затворный электрод, который в классических МОП-транзисторах — металлический, но в современных устройствах чаще выполнен из поликремния (технология кремниевого затвора).
• Выводы устройства: У транзистора имеется четыре вывода: Затвор (G — gate), Исток (S — source), Сток (D — drain), Подложка или корпус (B — body terminal или substrate).

2. Режим работы pn-переходов

Подложка образует pn-переходы с областями истока и стока. В нормальном режиме эти переходы находятся под обратным смещением. Для упрощения анализа обычно вывод подложки соединяют с выводом истока, что исключает влияние подложки на работу транзистора. В этом случае устройство рассматривается как трёхвыводное (G, S, D).

Рисунок 2 - Упрощённая схема МОП-транзистора

Трёхвыводная модель транзистора с объединёнными выводами подложки и истока.

Ток между истоком и стоком протекает через область канала, расположенную под затвором. Её геометрия определяется двумя ключевыми параметрами:

• Длина канала (\(L\)) — от 0,03 до 1 мкм
• Ширина канала (\(W\)) — от 0,1 до 100 мкм

МОП-транзистор является структурно симметричным, поэтому исток и сток взаимозаменяемы без изменения электрических характеристик. Фактическое назначение выводов определяется полярностью приложенных напряжений в схеме.

2.1 Работа с нулевым напряжением на затворе

Когда напряжение на затворе отсутствует (то есть \(U_{GS} = 0\)), между стоком и истоком образуется последовательное соединение двух встроенных pn-переходов:

• Первый — между n⁺-областью стока и p-подложкой.
• Второй — между p-подложкой и n⁺-областью истока.

Эти два перехода действуют как обратно смещённые диоды, последовательно включённые между выводами стока и истока. В результате:

• Путь для тока между стоком и истоком оказывается заблокированным.
• Сопротивление между стоком и истоком чрезвычайно велико — порядка \(10^{12}\) Ом.
• Даже при подаче напряжения \(U_{DS}\) ток практически не протекает.

Таким образом, при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует, и транзистор находится в закрытом состоянии.

2.2 Создание канала для прохождения тока

При подаче положительного напряжения \(U_{GS}\) на затвор (при заземлённых истоке и подложке) запускается процесс формирования проводящего канала:

• Положительный потенциал на затворе отталкивает положительно заряженные дырки (основные носители в p-подложке) от поверхности под затвором, вдавливая их глубже в подложку.
• В приповерхностной области остаётся область истощения, заполненная неподвижными отрицательными зарядами ионизированных акцепторов.
• Одновременно электроны из сильно легированных n⁺-областей истока и стока притягиваются к поверхности под затвором.

Рисунок 3 - Формирование инверсионного слоя при подаче на затвор положительного напряжения

Процесс формирования инверсионного слоя: отталкивание дырок, притяжение электронов.

Когда концентрация электронов у поверхности подложки становится достаточной, формируется инверсионный слой — тонкая n-область, соединяющая исток и сток. Этот слой:

• Образует проводящий канал между стоком и истоком.
• Называется индуцированным n-каналом, поскольку он возникает в p-подложке под действием электрического поля.
• Обуславливает название устройства — n-канальный МОП-транзистор или NMOS-транзистор.

Рисунок 4 - Индуцированный n-канал

Сформированный индуцированный n-канал, соединяющий исток и сток.

Ключевым параметром, определяющим начало формирования канала, является пороговое напряжение \(U_t\):

• При \(U_{GS} < U_t\) канал не формируется, транзистор закрыт.
• При \(U_{GS} \geq U_t\) появляется проводящий канал.
• Для NMOS-транзисторов \(U_t\) положительно и обычно лежит в диапазоне 0,3–1,0 В, задаваясь на этапе производства.

Именно управляющее действие электрического поля (а не тока через затвор) лежит в основе названия устройства — полевой транзистор (Field-Effect Transistor, FET).

Таким образом, принцип действия МОП-транзистора основан на управлении током между истоком и стоком с помощью напряжения на затворе, что и делает его ключевым элементом в усилительных и цифровых схемах.

3. Электростатическая модель (МОП-конденсатор)

Структура «затвор — оксид — канал» функционирует как плоский конденсатор:

• Затвор, оксид и канал образуют параллельно-пластинчатый конденсатор:
  • Пластины: Затвор (верхняя) и канал (нижняя).
  • Диэлектрик: Оксидный слой (SiO₂).
• Положительный заряд на затворе индуцирует равный по величине отрицательный заряд из электронов в канале.
• Вертикальное электрическое поле в этом конденсаторе управляет зарядом канала, его проводимостью и, следовательно, током стока.

При \(U_{DS} = 0\) напряжение между затвором и всеми точками канала одинаково и равно \(U_{GS}\). Разность между приложенным напряжением и пороговым значением определяет эффективное управляющее напряжение, или напряжение перегрузки:

Именно \(U_{OU}\) определяет заряд в канале, который выражается как:

где:

• \(C_{ox}\) — удельная оксидная ёмкость (Ф/м²),
• \(W\) — ширина канала,
• \(L\) — длина канала.

Удельная ёмкость рассчитывается по формуле:

с учётом:

• \(\varepsilon_{ox} \approx 3.45 \times 10^{-13}\) Ф/м — диэлектрическая проницаемость SiO₂,
• \(t_{ox}\) — толщина оксидного слоя, задаваемая технологическим процессом.

Важно отметить, что увеличение \(U_{OU}\) приводит к:

• Пропорциональному росту заряда в канале,
• Увеличению эффективной «глубины» или проводимости канала,
• Повышению тока при подаче \(U_{DS}\).

Сводка ключевых формул