МДН-транзи́стор () — напівпровідниковий прилад, що як базовий фізичний принцип використовує ефект поля.
Типовий МДН-транзистор складається з МД/ОН- структури (метал-діелектрик/оксид-напівпровідник, наприклад n-типу), та двох p-кишень для електродів джерела (source) та стоку (drain). Металічний керуючий електрод називається затвором (gate), а напівпровідниковий — підкладкою (bulk). Відомо, що МДН-структури мають три режими роботи: збагачення або акумуляції (з власною провідністю напівпровідника); слабкої інверсії (зі змішаною провідністю) та сильної інверсії (з інверсною провідністю). Тому загалом, можна використовувати будь-який з цих трьох режимів роботи для практичної реалізації МДН-транзистора, і на перших порах в 60-х роках їх і використовували при серійному виробництві (звідси випливає певна неоднозначність навіть в назвах цих приладів, оскільки одні працювали на основних носіях, другі — на неосновних, а треті мали змішану провідність, тому їх просто називали польові транзистори). Проте з часом переміг один режим роботи МДН-транзистора — «режим сильної інверсії», і тому сьогодні тільки з ним і пов'язується однозначно назва «МДН-транзистор». Але навіть в цьому разі реальні прилади можуть працювати в двох режимах роботи: слабкої (при ввімкненні), та сильної (нормальний режим) інверсій. В загальному випадку можлива реалізація МДН-транзисторів двох типів: n-канальних та p-канальних. Більше того, обидва типи МДН-транзисторів можуть бути виготовлені на одній підкладці. В цьому разі говорять про комплементарні (КМОН-) транзистори. На КМОН-транзисторах досить легко реалізувати цифрові логічні схеми (наприклад — «інвертори»). Вигода від використання КМОН- логічних інверторів очевидна, оскільки вони в статичному режимі не споживають енергії. Дійсно, не залежно від логічного стану на виході інвертора, завжди один із послідовно ввімкнених транзисторів є «відкритий», а інший «закритий», тому струм крізь них не протікає. Проте під час перемикання логічного інвертора із одного стабільного стану в інший (перехідний процес) звісно струм протікає, і його слід враховувати (особливо при високих тактових частотах логічних схем).
Історія винаходу
Ідея створення МДН-транзистора виникла наприкінці 20-х років 20-го століття і тому пріоритет був захищений патентами в США — Лілієнфельдом, а у Великій Британії — Гейлом. Це були досить тривіальні технічні пристрої, що складалися з металічної та напівпровідникової пластинок, розділених шаром діелектрика або повітря, призначених для практичної реалізації напівпровідникового підсилювача, керування яким здійснювалось електричним полем. Здійснити ці ідеї на практиці спробував Шоклі наприкінці 30-х років 20-го століття. Як напівпровідник тоді використовували германій, як діелектрик — пластинки слюди, роль металічного електрода — металічна пластинка або металізоване покриття пластинки слюди. Звісно, Шоклі отримав модуляцію провідності поверхні германію, проте ефект був незначним. Більше того, досить несталим в часі, що не дозволяло впровадження його в серійне виробництво.
Тільки в другій половині 40-х років 20-го століття стало зрозумілим, що основним дестабілізуючим фактором були т.з. поверхневі стани в напівпровіднику. Та і сам вибір напівпровідника (германій) був не найкращим (навіть сьогодні практично немає технології виготовлення МДН-структур на германії).
Першим помітив переважну роль поверхневих станів в напівпровіднику Бардін, котрий потім разом з Браттейном відкрив т.з. біполярний ефект. Тут необхідно відзначити, що на той час ще не існувало теорії випрямляючих переходів в напівпровіднику. Сама назва ефект поля з'явилась вперше в роботі Шоклі та Пірсона, в якій експериментально було доведено існування поверхневих станів в напівпровіднику. Роль Шоклі на цьому етапі була незначна, оскільки він піддався розчаруванню, викликаному неможливістю на той час, реалізації ефекту поля. Проте «відкриття» біполярного ефекту заохотило Шоклі на ґрунтовні дослідження спершу точкового переходу, потім сплавного переходу і, нарешті всім відомого p-n-переходу, що з часом і вилилось в теорію p-n-переходу Шоклі, а згодом і в теорію біполярного транзистора, що ґрунтувалася на понятті квазірівня Фермі.
З появою напівпровідникових переходів та біполярних транзисторів розпочалася нова технологічна ера обробки напівпровідників, спершу германію, а потім і кремнію. Відпрацьовувалися інженерні методи вирощування кристалів та технології розрізання пластин з наступним їхнім шліфуванням. Більше того, розроблювалися способи дифузії та епітаксії домішок шляхом фотолітографії тощо. І тільки на кінець 50-х років 20-го століття рівень розвитку технологій досяг зрілості, і шляхом розробки технології пасивації поверхні кремнію Аталлою та Кангом, нарешті була створена МДН-структура на кремнії з більш-менш стабільними характеристиками.
Пасивація поверхні кремнію усталила поверхневі стани і уможливила практичну реалізацію МДН-транзисторів. Перші феноменологічні моделі МДН-тразисторів з'явились в піонерських працях Хофштейна, Хеймана, Іхантоли та Молла. Проте, основна фундаментальна праця зі створення теорії МДН-транзистора, що ґрунтується на фундаментальних принципах поверхневої провідності була створена в 1964 році учнем Шоклі — Са.
Спосіб роботи
Після розв'язання проблеми поверхневих станів на початку 60-х років 20-го століття з'явились перші МДН-транзистори, а разом з ними і перші феноменологічні моделі їхньої роботи. Не зважаючи на достатню розробленість мікроскопічної теорії поверхневої провідності напівпровідника в ефекті поля, використати її при описі реальних МДН-транзисторів було не так просто, оскільки перша мала справу з мікроскопічними потенціалами, а другі — з макроскопічними напругами.
Тому перші фізико-математичні моделі МДН-транзисторів Гофштейна, Геймана, Іхантоли та Молла мали чистий феноменологічний характер і використовували тільки макроскопічні напруги не пов'язані з мікроскопічними потенціалами.
Основною проблемою тут виступало завдання введення квазірівнів Фермі для опису термодинамічної нерівноваги в умовах протікання електричного струму каналом МДН- транзистора. Першому, вдалося розв'язати цю проблему учню Шоклі — Са. Тому після двох публікацій Са в середині 60-х, були закладені основи взаємозв'язку між макроскопічними величинами (струми та напруги на електродах МДН- транзистора) та мікроскопічними величинами на поверхні напівпровідника (поверхневі потенціали та концентрації носіїв).
Властивості індукованого переходу Вперше концепцію квазірівнів Фермі ввів Шоклі для опису металургійних p-n—переходів. Тому Са пішов тривіальним шляхом розповсюдження даної концепції на індуковані переходи. Індукований перехід відрізняється в першу чергу від металургійного тим, що на поверхні напівпровідника створюються тільки потенція для провідності оберненого типу відносно глибинних шарів напівпровідника. Тобто сам напівпровідник МДН-структури не має можливості для заповнення інверсними носіями поверхні напівпровідника, тому для цього по боках каналу формували кишені з інверсною провідністю відносно підкладки. Якщо цього не зробити, то отримаємо весь комплекс інерційних низькочастотних явищ в C- V- характеристиках МДН-структури (в районі 100 Герц). Другою особливістю індукованого переходу є те, що він є достатньо різкий відносно металургійного. Це обумовлено технологією обробки поверхні кремнію, котра є значно вища і контрольованіша за реальні металургійні переходи. Звісно, вона ще далека від параметра решітки, проте вже достатньо близька до нього (в металургійних переходах такої різкості добитися взагалі не можливо). Справа в тому, що в «точці» самого переходу квазірівні електронів та дірок однакові за величиною і збігаються із серединою забороненої зони напівпровідника. Тобто в цій точці ми маємо власний напівпровідник, і тому чим тонша буде ця перехідна область (буде різкішою), тим ближче буде реальний перехід до ідеального, для якого розроблена мікроскопічна теорія.
Електрод затвора є основним керувальним електродом, котрий задає поверхневий потенціал напівпровідника МДН-структури, котра в свою чергу описується стандартним рівнянням Пуассона в ефекті поля. Тому при відсутності напруг на електродах стоку та підкладки (нульові значення) ми і отримуємо зв'язок між мікроскопічними потенціалами на поверхні розділу діелектрик- напівпровідник () та макроскопічними напругами на затворі () через теорему Гауса для зарядів на ємності МДН-структури. Звісно, цей стан поверхні напівпровідника з інверсною провідністю також є станом поперечної термодинамічної нерівноваги (тому поверхневий потенціал тут є також квазіпотенціалом Фермі), проте відсутність поперечного струму через МДН-структуру (наявність діелектрика!) дозволяє нехтувати тут нерівноважністю і вважати сам індукований перехід, як варіант металургійного. Очевидно, що це справедливо тільки для постійних напруг на затворі МДН-структури, а коли вона змінюється (при чому з великою частотою) то термодинамічна нерівноважність повинна вносити свої корективи в «ідеальний індукований перехід». Це приведе до того, що статичні параметри індукованого переходу будуть відрізнятися від динамічних.
Вплив електрода підкладки Слід відзначити, що електрод підкладки виконує роль другого затвора, оскільки металізація підкладки знаходиться на нижній стороні МДН-структури. Проте він є неповноцінним в тому плані, що металізація підкладки не повністю покриває всю поверхню напівпровідника підкладки і може бути розташованим в будь- якому місці поверхні підкладки. В загальному випадку при подачі оберненої напруги на електрод підкладки буде збільшуватися товщина збідненої області, заряд якої задається виразом:
,
де концентрація домішок (залежить від поверхневого потенціалу в загальному випадку), — заряд електрона, діелектрична проникність напівпровідника та — потенціал Фермі. Очевидно, що збільшення просторового заряду тривіально означає зменшення інверсного заряду (еквівалентне збільшенню «порогової напруги» МДН-структури). У випадку подачі прямої напруги на електрод підкладки, через джерельний перехід протікатиме прямий струм, як у звичайних металургійних переходах. Більше того, через електрод стоку також протікатиме додатковий струм, обумовлений прямою напругою на підкладці (т.з. «біполярний ефект»). Звісно, цей режим прямих напруг на підкладці на практиці не використовується (особливо в цифрових схемах), оскільки це є «паразитні» струми через стік.
Таким чином, вплив електрода підкладки на квазірівні Фермі не виходить за рамки концепції квазірівнів Фермі, розробленої для металургійних переходів.
Вплив електрода стоку
До електроду стоку завжди прикладається обернена напруга, що викликає збільшення заряду збідненої області біля електроду стоку (ефект типовий для металургійних переходів). Тому до певної міри електрод стоку також виконує роль керувального електроду, подібно до електродів затвора та підкладки. Проте його вплив поступово зменшується з наближенням до електроду джерела вздовж каналу. Таким чином, електрод стоку виконує основну роль електроду прискорення неосновних носіїв, що з'являються біля електроду джерела, завдяки чому і створюється струм вздовж каналу.