левых транзисторов с управляющим р-п . переходом - сильная зависимость параметров прибора от геометрических размеров канала и особенно от величины а - половины ширины канала. В табл. 2-2 показа-

Таблица 2-2

Зависимость параметров полевого транзистора с управляющим р-п переходом от размеров канала

на зависимость некоторых характерных параметров для указанных транзисторов от длины и ширины канала. Для большей части аналоговых применений наиболее существенной характеристикой прибора, которая должна подлежать регулированию, является напряжение отсечки Vnipinch-ofl), которое в сильной степени зависит от ширивы канала. Изменение ЛС/д. обусловленное соответствующим изменением а, можно записать как

AC/n/L/n=2(Aa/o). (2-45)

Вследствие допусков, связанных с процессом эпитаксиального наращивания или диффузии, абсолютное значение величины разброса ширины канала порядка ±107о-Для номинального напряжения отсечки 5 В абсолютная величина разброса равна ±1 В. Вследствие

больших значений величин разбросов повторяемость характеристик полевых транзисторов много хуже, чем для биполярных транзисторов. Среднеквадратичное отклонение глубины диффузии и толщины эпитаксиального слоя вдоль поверхности пластины порядка 0,5% и сравнимо с размерами прибора. Следовательно, согласование Un в смежных структурах, имеющих идентичную геометрию, не лучше ±1%. Чтобы выровнять уровень тока затвора в двух идентичных структурах полевого транзистора, необходимо приложить компенсирующее смещение затвора, равное величине этого рассогласования AUn- Согласно уравнению (2-45) это означает, что для типичного напряжения отсечки 5 В ожидаемое напряжение смещения AUn порядка 50 мВ, что 1П0 крайней мере на порядок хуже, чем разброс величины L/бэ в биполярных транзисторах.

Полевой транзистор с изолированным затвором

В структурах полевых транзисторов с изолированны.м затвором используется тонкий диэлектрический слой для изоляции затвора и канала. Управляющее напряжение, приложенное к выводам затвора, индуцирует электрическое поле в диэлектрическом слое и модулирует концентрацию свободных носителей в области канала. Эти структуры можно подразделить на приборы с р- и п-каналами в зависимости от типа проводимости канальной области. Кроме того, их можно классифицировать в зависимости от вида работы как приборы обогащенного и обедненного типа.

В приборе обедненного тша проводящий канал находится под затвором при отсутствии какого-либо напряжения на последнем. Прикладываемое к затвору напряжение управляет током между истоком и стоком посредством обеднения части этого канала. Этот случай схож

с работой полевого транзистора с управляющим р-п переходом, рассмотренной выще.

В случае полевого транзистора с изолированным затвором обогащенного типа при нулевом напряжении,, прикладываемом к затвору, проводящий канал между истоком и стоком отсутствует. При напряжении на затворе соответствующей полярности и превосходящем пороговое значение непосредственно под затвором образуется инверсионный слой, который играет роль проводящего канала между электродами истока и стока. Если смещение затвора еще больше увеличивается, удельное .сопротивление индуцированного канала уменьшается и ток от истока к стоку уве-, личивается. На рис. 2-27 дано схематичное изображение поперечного сечения полевого транзистора с изолированным затвором и обогащенным каналом р-типа, а также полярности смещения затвора и стока для соответствующего режима работы. Обычно слой SiOa используется в качестве диэлектрического слоя затвора. Его толщина обычно меньше, чем у оксидных слоев, употребляемых для маскирования или пассивации поверхности.

Полевой транзистор с изолированным затвором обогащенного типа предпочтительнее транзистора обедненного типа, так как является самоизолирующим устройством, не требующим жесткого контроля за диффузионными циклами. Он может изготовляться в течение одного диффузионного цикла во время формирования областей для истока и стока. Так как активные области полевого транзистора с изолированным затвором имеют обратное смещение по отношению к подложке, соседние приборы, изготовленные на той же подложке, электрически изолированы и не требуют проведения отдельного этапа диффузии с целью изоляции. Благодаря этому полезному свойству самоизоляции рассматриваемые приборы могут быть

Металл ДиэлвитриЯ затвора {затвора

Из \ \ 0 I/o

Рис. 2-27. Поперечное сечение полевого транзистора с изолированным затвором с р-каналом обогащенного типа.

размещены на поверхности кремниевой пластинки с более высокой плотностью, чем биполярные транзисторы.

Если полевой транзистор с изолированным затвором и каналом р-типа изготавливается одновременно с п-р-п биполярным транзистором, материал п-типа нижней части прибора (см. рис. 2-27) может быть образован эпитаксиальной коллекторной областью п-р-п биполярного транзистора. Для соответствующих режимов работы и низких пороговых напряжений удельное сопротивление канала транзистора с изолированным затвором находится в диапазоне от 3 до 8 Ом-см. Нижнее значение сопротивления сравнимо с коллекторным сопротивлением п-р-п транзистора, которое требуется для большинства аналоговых интегральных схем. Поэтому этот тип полевого транзистора может изготовляться одновременно с п-р-п биполярными транзисторами и базовая диффузия р-типа может использоваться для формирования истока и стока.

Согласно рис. 2-27 при напряжении стока однородный проводящий канал на.ходится под затвором при значениях напряжения затвора Us, превышающих С/т-Можно показать, что этот однородный канал имеет проводимость слоя gk, выражаемую как

Я„=цСо(С/з-С/т), (2-46)

где Со - емкость на единицу площади электрода затвора; р, - подвижность основных носителей в индуцированном канале. Со связано с толщиной Гзс и диэлектрической проницаемостью диэлектрического слоя затвора следующим соотношением:

С„==-. (2-47)

Если напряжение затвора увеличивается при полярности, показанной на рис. 2-27, через индуцированный канал течет определенный ток стока /с. Этот ток вызывает омическое падение напряжения адоль канала, которое 1вычитается из напряжения затвора {Us-Ut). Так как проводимость в любой точке канала пропорциональна этому напряжению затвора, градиент напряжения, обусловленный /с, вызывает обеднение канала вдоль его длины и проводимость слоя становится функцией расстояния X вдоль канала:

(= С„ [U, - {U {х) - и,)], (2-48)

где Ux - потенциал канала на расстоянии X от источника. Таким образом, увеличение Uc вызывает возрастание тока стока, который в свою очередь вызывает обеднение канала или смыкание около стока. Для значений напряжения стока

г/сХС/з-С/т) (2-49) слой пространственного заряда формируется на стоковом конце канала, так как смещение затвора (т. е. прикладываемое напряжение за-затвора минус падение напряжения

SamBop о-

Исток

ПоВможт

Рис. 2-28. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором с каналом обогащенного типа.

Рис. 2-29. Эквивалентная схема полевого транзистора с изолированным затвором.

вдоль канала) в этой точке недостаточно, чтобы создать индуцированный канал. Это приводит к насыщению тока стока аналогично случаю полевого транзистора с управляющим р-п переходом; соответствующее семейство вольт-амперных характеристик изображено на рис. 2-28.

Для значений Uc меньше {Ub-Lt) ток стока может быть выражен через Uc следующей зависимостью:

и = 21 [((/з и.) - Ucl2] и,,

(2-50)

где U-,>U, а z -глубина канала, измеренная нормально к площади поперечного сечения на рис. 2-27. Крутизна прибора может быть получена дифференцированием уравнения (2-50):

Как показывает равенство (2-51), St линейно увеличивается с увеличением напряжения затвора U. Эта особенность прибора используется для умножения сигналов переменного тока (т. -е. в смесителях) или для автоматической регулировки усиления (АРУ).

Высокочастотные характеристики. Для работы при малых уровнях сигналов высокочастотные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором отображаются эквивалентной схемой рис. 2-29 при Uc>{Us-Ut). Следует заметить, что, 3.3 исключением емкостей исток - подложка С„п и сток - подложка Сг-п, эта эквивалентная схе-.ма идентична схеме рис. 2-24. Обыч-