МДП-транзисторы

Металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) транзистор, также называемый МОП-транзистором (металл–оксид–полупроводник), является ключевым элементом современной микроэлектроники. Его работа основана на управлении проводимостью в тонком приповерхностном слое полупроводника с помощью электрического поля, создаваемого через изолирующий диэлектрический слой.

Основной структурный элемент — это трёхслойная система:

  • затвор (gate), выполненный из металла или сильно легированного поликремния;
  • тонкий диэлектрик (обычно оксид кремния SiO₂ или высоко-k материалы, такие как HfO₂), играющий роль изолятора;
  • подложка полупроводника (чаще всего кремний), в которой формируются области стока и истока.

Таким образом, затвор электрически изолирован от канала, и управление током осуществляется исключительно электрическим полем, что обеспечивает крайне малое энергопотребление при работе.

Области транзистора

МДП-транзистор состоит из трех основных областей:

  • исток (source) – источник носителей заряда;
  • сток (drain) – приёмник носителей;
  • канал (channel) – область полупроводника между истоком и стоком, проводимость которой определяется напряжением на затворе.

Канал может быть n-типа или p-типа в зависимости от используемого полупроводника и режима легирования. Это определяет тип транзистора:

  • n-MOSFET – носители заряда являются электронами;
  • p-MOSFET – носители заряда являются дырками.

Электростатическое управление

Работа устройства определяется напряжением на затворе (Vg) относительно подложки. При отсутствии напряжения канал заперт (для транзисторов с индуцированным каналом). Когда на затвор подаётся достаточное положительное (для n-канала) или отрицательное (для p-канала) напряжение, электрическое поле через диэлектрик индуцирует в приповерхностном слое полупроводника инверсный слой, который играет роль канала для тока.

Ключевое понятие – пороговое напряжение Vth. Это минимальное значение напряжения на затворе, при котором формируется проводящий канал.

Вольт-амперные характеристики

Работу МДП-транзистора можно разделить на три характерных режима:

  1. Подпороговый режим (Vg < Vth) Канал отсутствует, но возможен слабый ток за счёт термической генерации и туннелирования. Этот ток называют подпороговым током утечки, и он играет важную роль в определении энергопотребления микросхем.

  2. Линейный (омический) режим (Vg > Vth, Vds ≪ Vg – Vth) При малом напряжении сток–исток (Vds) транзистор работает как управляемый резистор. Ток пропорционален Vds, а проводимость определяется величиной Vg – Vth.

  3. Режим насыщения (Vg > Vth, Vds ≥ Vg – Vth) При увеличении Vds в области стока канал “пинч-офф” (пережимается), и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. В этом режиме транзистор используется как усилительный элемент.

Формула тока в режиме насыщения для идеального транзистора:

$$ I_d = \frac{1}{2} \mu C_{ox} \frac{W}{L} (V_g - V_{th})^2 $$

где

  • μ – подвижность носителей в канале,
  • Cox – удельная ёмкость оксидного слоя,
  • W и L – ширина и длина канала.

Инверсный слой и пороговое напряжение

Формирование инверсного слоя связано с процессами на границе диэлектрик–полупроводник. При подаче напряжения на затвор происходит изгиб энергетических зон полупроводника. При достижении определённой величины изгиба (равной ширине запрещённой зоны минус работа выхода) возникает инверсия проводимости: в p-подложке начинают доминировать электроны, а в n-подложке – дырки.

Пороговое напряжение Vth зависит от:

  • толщины и диэлектрической проницаемости оксида,
  • концентрации легирования подложки,
  • зарядов в диэлектрике и на границе,
  • эффектов квантового ограничения в тонких каналах.

Масштабирование и современные технологии

С развитием интегральных схем происходит уменьшение размеров МДП-транзисторов. Длина канала в современных устройствах достигла нескольких нанометров, что привело к ряду эффектов:

  • короткоканальные эффекты: снижение порогового напряжения, увеличение токов утечки;
  • туннелирование через диэлектрик: при малой толщине оксида возникают значительные токи за счёт квантового туннелирования электронов;
  • баллистический транспорт: носители заряда проходят через канал практически без рассеяния.

Для преодоления этих проблем используются:

  • материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), что позволяет увеличить толщину диэлектрика при сохранении высокой ёмкости;
  • новые структуры затворов (металлические затворы, FinFET, GAAFET);
  • напряжённый кремний и гетероструктуры для увеличения подвижности носителей.

Применение

МДП-транзисторы применяются как:

  • ключевые элементы в логических схемах (в CMOS-интегральных схемах, где сочетаются n- и p-MOSFET для минимизации энергопотребления);
  • усилительные элементы в аналоговой электронике;
  • составные транзисторы в силовой электронике (MOSFET транзисторы для управления большими токами).

Благодаря высокой интеграционной плотности, низкому энергопотреблению и возможности масштабирования именно МДП-транзисторы стали основой всей современной цифровой техники.

Оглавление