Сенсори на польових транзисторах

Лабораторна робота 6

Вивчення роботи матричних приймачів випромінювання

Завдання до роботи: освоїти принципи роботи та побудови вихідного відеосигналу матричних приймачів випромінювання.

Прилади і матеріали: електронно-обчислювальна машина.

Сенсори на польових транзисторах

Типова структура польового транзистора з ізольованим затвором показана на рис.6.1. Над проміжком між двома областями n -типу, сформованими біля поверхні пластини кремнію р -типу, створено тонкий (~ 0, 1 мкм) шар діелектрика (нітриду чи оксиду кремнію), на який нанесено металічний електрод затвору. Решта поверхні кремнію захищено товстим шаром оксиду кремнію SiO₂. На ньому сформовані металічні електроди, які через вікна в оксиді контактують з n -областями. У процесі роботи одну з n -областей з’єднують з негативним полюсом джерела напруги. Її називають «витоком». Другу n -область з’єднують з позитивним полюсом і називають «стоком».

Рис. 6.1. Типова МДН структура польового транзистора

Коли в тонкому шарі діелектрика електричне поле відсутнє, струм між стоком і витоком практично рівний нулю через наявність p-n -переходу, зміщеного у зворотному напрямі. Електрод затвору, тонкий шар діелектрика і кремній р -типу у вертикальному розрізі утворюють структуру «метал – діелектрик – напівпровідник» (скорочено МДН). Тому транзистори такої структури називають ще МДН транзисторами.

Якщо на електроді затвору з’являються позитивні електричні заряди, то в тонкому шарі діелектрика і у приповерхневій області кремнію виникає електричне поле. Наявні в кремнії вільні електрони провідності, під дією цього поля притягуються до діелектрика, змінюючи об’ємний електричний заряд приповерхневої області. Якщо напруга на МДН структурі досягає певного порогового рівня, то відбувається інверсія електропровідності кремнію в приповерхневій області, і тут формується тонкий канал n -типу провідності. Його називають «індукованим» каналом. Через цей канал від витоку до стоку може протікати електричний струм: МДН транзистор «відкривається». При подальшому зростанні напруги на МДН структурі канал розширюється, його опір зменшується, і електричний струм між витоком і стоком зростає. Металічний електрод цієї структури саме тому і називають «вентилем» або «затвором», що з його допомогою, використовуючи зовсім незначну потужність, можна керувати значно потужнішим електричним струмом від витоку до стоку.

Якщо тонкий шар діелектрика в структурі польового транзистора виготовлений з оксиду, то структуру «метал–оксид–напівпровідник» скорочено називають МОН структурою, а відповідний транзистор – МОН транзистором.

МДН транзистори вищеописаної структури називають n -канальними. На поверхні напівпровідника n -типу можна створити аналогічну структуру, сформувавши приповерхневі області p -типу. Утворений польовий транзистор буде р -канальним.

Одна з найширше використовуваних зараз технологій виготовлення мікросхем дозволяє одночасно формувати на поверхні кремнію як n -канальні, так і р -канальні транзистори. Таку технологію називають КМОН (КМДН) технологією, де буква «К» є скороченням від слова «комплементарний» (взаємодоповнюючий). Мікросхеми, утворені з комплементарних n -канальних і р -канальних транзисторів, виявились надзвичайно економними. З їх допомогою вдалось сумістити мале споживання потужності з високою швидкодією і з дуже малими розмірами елементів. А це дозволило створювати НВІС (надвеликі інтегральні схеми) з рівнем інтегрування порядку мільйона елементів на одному кристалі.

З описаної вище фізики роботи польового транзистора видно, що його можна використовувати як елемент, чутливий до змін електричного заряду чи потенціалу на вентильному електроді (затворі). А ці останні можуть бути обумовлені впливом різних зовнішніх факторів, котрі вимагається контролювати. Це можуть бути, наприклад, хімічні зміни у речовині, нанесеній на вентильний електрод, чи зміни електрохімічного потенціалу, які ми розглянемо далі.