14.3.5. Принцип работы МДП‑транзистора

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсии. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т. е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения.

Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Напряжение на затворе МДП‑транзистора обозначается значком V_G, на стоке транзистора – V_DS, на подложке – V_SS. Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается I_DS, ток в цепи «затвор – канал» – I_G. Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая. На рис. 14.25 показана схема МДП‑транзистора с индуцированным p‑каналом в равновесных условиях (V_DS = 0) при нулевом напряжении на затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения [101].

 

Рис. 14.25. МДП‑транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях: а – напряжение на затворе отсутствует VG = 0; б – напряжение на затворе больше порогового напряжения VG > VT (VG < 0)

В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Напряжение на затворе V_G, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T. Изменяя величину напряжения на затворе V_G в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала R_i. Источник напряжения в стоковой цепи V_DS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала R_i ток стока I_DS, и тем самым будет реализован транзисторный эффект. Напомним, что транзисторный эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном изменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи «исток – канал – сток» I_DS обусловлен только одним типом носителей, т. е., действительно, МДП‑транзистор является униполярным прибором. Поскольку области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток канала, а только обеспечивают контакт к области канала.

Таким образом, МДП‑транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», т. к. слово «transistor» образовано от двух английских слов – «transfer» и «resistor», что переводится как «преобразующий сопротивление».