Рассмотрим емкость МДП-стуктуры с полупроводником n-типа при изменении напряжения смещения на металлическом электроде при наложении переменного сигнала.

В режиме обогащения в МДП-структуре с полупроводником n-типа (плюс на металлическом электроде) электроны притягиваются к поверхности и в приповерхностном слое полупроводника возникает заряд Q_S притянутых электронов, по величине равный заряду Q_М, индуцируемому на металлическом электроде (рис. 5.3). С увеличением напряжения толщина заряженного слоя сохраняется практически неизменной и рост заряда Q_S происходит за счет повышения объемной плотности. Поэтому емкость структуры не зависит от приложенного напряжения.

В состоянии обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров Q_С= qN_Дd_П, где d_ОПЗ- толщина области поверхностного заряда (ОПЗ) (рис. 5.4). Емкость такой структуры будет складываться из емкостей двух последовательно соединенных конденсаторов: конденсатора образованного диэлектрическим слоем d_Д и конденсотора образованного обедненным слоем d_ОПЗ.

Емкости этих конденсаторов при единичной площади равны:

                               С_Д= ,               С_ОПЗ= .

 Емкость С_ОПЗ зависит от падающей на полупроводнике разности потенциалов, так как с ее изменением меняется толщина обедненного слоя d_ОПЗ, играющая роль расстояния между обкладками конденсатора.

Емкость структуры в целом будет равна:

                     ,                                      (5.3.1)

                               С= .                                         (5.3.2)

С ростом напряжения смещения ширина ОПЗ увеличивается, вследствие чего емкость С_ОПЗ уменьшается. При этом уменьшается и общая емкость. Это происходит до наступления инверсии. В состоянии инверсии к поверхности полупроводника притягиваются дырки, образуя положительный заряд Q_Р рис. 5.5. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике Q_П определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением d_ОПЗ, а после наступления инверсии- ростом заряда Q_Р. Поскольку толщина инверсного слоя, образованного дырками почти не зависит от приложенного напряжения, то в состоянии инверсии емкость структуры не зависит от напряжения.

На рис. 5.6 показаны вольт-фарадные характеристики МДП-структуры. Минимум кривой С=f(U) соответствует образованию инверсного слоя и характеризуется напряжением инверсии U_uн. При высокочастотном сигнале не основные носители, в данном случае дырки, не успевают следить за сигналом, поэтому емкость полупроводника определяется емкостью ОПЗ и не зависит от заряда дырок, а так как после образования инверсного слоя ширина ОПЗ не меняется, то и С=f(U) остается постоянной. При низкочастотном сигнале не основные носители успевают следовать за переменным напряжением и емкость полупроводника определяется в этом случае зарядом дырок в инверсном слое, который быстро растет с напряжением. Следовательно возрастает и общая емкость структуры, вплоть до С@С_Д. Затем С не меняется с ростом напряжения, так как емкость структуры определяется емкостью С_Д, которая в этом случае меньше С_П емкости полупроводника.

Кроме рассмотренных в МДП-структуре может возникать заряд на поверхностных состояниях Q_SS и заряд в диэлектрике, который приводит к сдвигу ВФХ вправо или влево по оси напряжений.

Полевые транзисторы

Общие сведения

Основные принципы работы полевого транзистора были разработаны Лилиенфельдом и Хейлом в начале 30х годов. Первый МДП-транзистор был изготовлен Кангом и Аталлой в 1960 г. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом был разработан Шокли в 1952 г. и изготовлен Дейки и Россом в 1953 г. Полевые транзисторы с диодом Шотки впервые были изготовлены на основе арсенида галлия в 1967 г.

Полевые транзисторы содержат три полупроводниковые области исток, сток и канал, а так же управляющий электрод затвор. Исток и сток сильно легированные области полупроводника.

По структуре и способу управления проводимостью канала различают три типа полевых транзисторов:

- полевые транзисторы с изолированным затвором, между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика (МДП-транзисторы);

- полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупро-водник (с диодом Шоттки), металлический электрод затвора образует выпрямляющий контакт с каналом, на который в рабочем режиме подается обратное напряжение;

- полевые транзисторы с управляющем p-n-переходом, в качестве затвора используют слой полупроводника образующий с каналом p-n-переход, в рабочем режиме имеющий обратное включение

Полевые транзисторы по типу проводимости канала подразделяются на транзисторы с каналом n или p -типа.

Если канал n-типа, то рабочими носителями являются электроны и на сток подается положительный потенциал. В случае канала p-типа рабочими носителями являются дырки и на сток подается отрицательный потенциал.

В полевых транзисторах используется движение носителей заряда одного знака, которые под действием электрического поля, созданного вдоль канала, перемещаются от истока к стоку.

Характерной особенностью полевых транзисторов является малый ток затвора. Входное сопротивление полевых транзисторов на постоянном токе составляет 10⁸ ¸10¹⁰ Ом. Поэтому полевые транзисторы являются приборами, управляемыми напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током.