6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

6.1. Особенности полевых транзисторов

Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов возможно выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют МДП транзисторами (от словосочетания металл -диэлектрик - полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл-окисел - полупроводник), поскольку  в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 109 - 1010 Ом. Таким образом эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для  электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же как и биполярные полевые трнзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n управление которыми осуществляется при разной полярности на затворах . Это свойство комплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП транзисторов (CMOS схемы).

Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа, это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителей заряда.  Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Лекция 19.................................................................................................................................... 10

Лекция 20.................................................................................................................................... 14

Лекция 21.................................................................................................................................... 18

Лекция 19

6.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП)

6.2. 1. Свойства МДП структуры.

В основе работы полевых  транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП структуры (рис. 81 ). 

Рис. 81. Пример МДП структуры

По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами.  В МДП структуре в отличие от pn перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника , а так же связей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы.  Таким образом на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника.  На рис. 82 показана схема поверхности частично пассивированной радикалами ОН и атомами О, а так же соответствующие поверхностным дефектам поверхностные энергетические состояния, дающие дополнительные уровни в запрещенной зоне, которые локализованы вблизи поверхности.   ЩР

Рис. 82. Диаграмма, поясняющая возникновение поверхностных состояний на границе кристалла.

Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный по величине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностными состояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда. Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то  в  приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается  изменением поверхностной проводимости (см. рис. 83) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 83.

Рис. 83. Изменение поверхностной проводимости полупроводнка в МДП структуре: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

В той приповерхностной  полупроводниковой области, где существует электрическое поле имеется обедненная носителями область пространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд  ОПЗ  и соответственно ширина  обедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП структуры. Зависимости емкости МДП структур от напряжения показаны на рис. 84. Емкость МДП структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - Сд и  емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике Спп.

                                     (6_13)

Если Сд>> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = Спп.

Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 84 ограничено линией С = Сд.

Рис. 84. Изменение емкости МДП структур от напряжения на затворе:   1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник,                               3 - полупроводник p типа.

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 83  и рис. 84 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области.

Рис. 84. Энергетические диаграммы приповерхностной полупроводниковой области n - типа при различных значениях напряжения на МДП структуре (см. рис. 82 и 83): т. А - начальное состояние (UзA = 0),      т. B - обеднение (UзB <  0), т. C инверсия (UзC < UзB < 0), т. D обогащение (UзD.>0)

На рис. 84 показаны энергетические диаграммы МДП структуры при раличных значениях потенциала Uз. В качестве примера выбран материал n типа. Точка A соответствует случаю нулевого потенциала затвора. Поскольку материал n типа уровень Ферми находится в верхней половине запрещенной зоны и для концентрации электронов в глубине материала можно записать (через собственную концентрацию ni):

,              (6_14)

где φо = 1/q(Ei - F) При записи (6_14) считалось, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится при Eiв (примерно в середине запрещенной зоны). На рис. 84 для точки A вблизи поверхности наблюдается искривление зон (и соответственно Ei), что свидетельствует о наличии поверхностного потенциала φs = 1/q(Eis - F) заряда захваченного поверхностными состояниями (Ns). Для поверхностной концентрации электронов ns  и дырок ps аналогично как в (6_14) можно записать:

                            (6_15)

Как видно из рис. 84 для т. А φs< φо и следовательно вблизи поверхности концентрация электронов ниже, чем в объеме, т.е. существует некоторое начальное обеднение поверхности основными носителями заряда.

При подаче на затвор отрицательного потенциала  будет происходить дальнейшее обеднение поверхности электронами и при некотором напряжении на структуре (т. B на рис. 84) φs станет равным 0. При этом в соответствии с (6_15) для поверхностные концентрации равны: ns = ps = ni. При дальнейшем увеличении отрицательного заряда на затворе будет иметь дальнейшее искривление зон и φs изменяет знак, при этом (см. 6_15)                ps> ns > ni и ns < ni , т.е. на поверхности происходит изменение типа проводимости - инверсия знака носителей на поверхности относительно объем (т. C на рис. 84). И чем больше отрицательный заряд на затворе, тем больше дырочная проводимость на поверхности.) Напряжение на затворе, приводящее к инверсии проводимости, принято называть пороговым (Uп), если       |φs| = 2(Ec - F).

Если на затвор подать положительное напряжение величина φs возрастает соответственно (см. 6_15) концентрация электронов увеличивается. Действительно электрическое поле вблизи поверхности будет притягивать электроны и отталкивать дырки (их концентрации уменьшается). Когда поверхность обогащается основными свободными электронами или дырками (в случае инверсии) ширина ОПЗ стремится к нулю и емкость структуры определяется только толщиной диэлектрика. В этом случае обогащенная свободными носителями поверхность полупроводника ведет себя подобно поверхности металла.

Лекция 20 6.2. 2. МДП транзисторы.

В основе работы МДП транзистора лежит рассмотренный в предыдущем параграфе эффект управления поверхностной проводимостью и поверхностным током с помощью затвора. Для того, чтобы обеспечить прохождение управляемого тока под затвором создают две электродные области: исток и сток. На рис.  85 показана конструкция МДП транзистора с индуцированным n каналом, схема его включение и графическое обозначение.

Рис. 85. МДП транзистор с индуцированным n каналом.

Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала  базового кристалла. Таким образом при отсутствии напряжения на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода и соответственно ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в закрытом состоянии. Для того, чтобы транзистор открылся на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n типа, образующая канал соединяющий n+ области истока  и стока, встречно включенные pn переходы исчезают и в стоковой цепи начинает протекать ток. Напряжение затвора при котором происходит инверсия проводимости подзатворной области и начинает протекать ток называют пороговым (Uп). Стоковый ток тем выше,  чем больше индуцированный в канале заряд  и соответственно больше проводимость индуцированного канала.   При работе транзистора в усилительном режиме полярность напряжения на стоке относительно истока задается такой, чтобы основные носители дрейфовали к стоку на сток подается напряжение такой полярности. Полярность напряжений подаваемых на электроды МДП с индуцированными n и p каналами при их работе в усилительном режиме противоположна. Для n канального транзистора на затвор подается плюс относительно истока, на p канальный транзистор минус. За сток принимается тот электрод к кторому дрейфуют основные носители, т.е. в p канальном транзисторе сток должен быть отрицательным относительно истока и в n канальном положительным (см. рис. 85).

Рис. 86. Вольта мерные характеристики МДП транзистора: выходные (слева) и передаточные (справа)

На рис. 86 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП транзистора. Получим аналитическое выражение, позволяющее их описать, при этом сделаем следующие основные допущения:

одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению  канала постоянны,

на поверхности выполняется условие сильной инверсии (Uз > Uп),

заряд на поверхностных состояниях постоянен и не зависит от изгиба зон,

дрейфовые токи значительно больше диффузионных и последними можно пренебречь

подвижность носителей заряда в канале постоянна.

Будем считать, что ось х направлена вдоль канала (рис. 85). Для индуцированного в канале заряда Qi можно записать:

Qi = - Cd[Uз-Uп-U(x)],                                 (6_16)

где U(x) - потенциал в т.х канала. Для наведенной поверхностной проводимости обусловленной зарядом индуцированным зарядом затвора справедливо:

σi = qμnni = - μnCd[Uз-Uп-U(x)]                  ( 6_17)

Плотность тока в канале:

Ji = σiE(x),                                              (6_18)

где E(x) = -dU/dx тогда используя (6_17) и (6_18) для ток стока запишем :

Ic  = JiW = σiE(x) W= WμnCd [Uз-Uп-U] dU/dx,             (6_19)                              

где W - ширина канала. Проинтегрируем (6_19) вдоль канала:

                      (6_20)

Откуда получим:

Ic = WμnCd /d[(Uз-Uп)Uс-1/2Uc2]                          (6_21)

При увеличении напряжения на стоке потенциал U(L) = Uс стремится к Uз и при некотором Uс = Uсo инверсия вблизи стока исчезает, канал перекрывется и заряд в канале становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке не будет приводить к возрастанию тока стока, поскольку все приращение напряжения будет осуществляться за счет на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала, таким образом при Uз > Uсо исток-стоковая вольтамперная характеристика  будет переходить из крутой области в пологу. Значение Uсо =0 найдем из следующего условия :

Qi(L) = 0 = -Cd (Uз-Uп-Uco]                      (6_22)

Откуда Uco = Uз - Uп. Подставим это значение Uco вместо Uc в (6_21) и найдем выражение дл выходных вольтамперных характеристик МДП транзистора в пологой области.

                    (6_23)

Это выражение описывает передаточную характеристику для МДП транзистора (см. правый график на рис. 86). Используя (6_23) для получим :

                    (6_24)

Соответствующий график для зависимости крутизны от напряжения на затворе приведен на рис. 87.

Рис. 87. Зависимость крутизны  МДП транзистора с индуцированным напряжение от напряжения на затворе.

Канал между истоком и стоком можно создать технологическим путем на стадии изготовления МДП транзистора (например вводя соответствующую примесь), такие транзисторы называют транзисторами с встроенным каналом. При подаче напряжения на затвор концентрация носителей в канале будет либо возрастать либо уменьшаться вплоть до полного исчезновения канала и перехода транзистора в запертое (выключенное) состояние, в котором  выходные токи будут определяться обратными характеристиками  исток-стоковых pn переходов.

Рис. 88. Графическое обозначение МДП транзистора с встроенным каналом и его вольтамперные характеристики: выходные (слева) и передаточные (справа)

Влияние подложки на характеристики МДП транзистора.

Рассмотрим влияние подложки на характеристики МДП транзистора.

Рис. 89. Включение МДП транзистора с управлением по подложке

Если подложка имеет положительный потенциал относительно стока, как это показано на рис. 89, то этот потенциал будет поднимать потенциал канала, что будет приводить к уменьшению разности потенциалов между затвором и каналом и соответственно будет уменьшаться заряд индуцированный в канале и проводимость канала. Поэтому потенциал подложки подобно потенциалу затвора может управлять проводимостью канала, однако отличие будет заключаться в том, что если увеличение положительного потенциала на затворе будет увеличивать ток стока, то увеличение положительного потенциала на подложке будет приводить к уменьшению тока стока. С учетом этого замечания формулу (6_21) для области крутой ВАХ транзистора можно переписать в следующем виде:

Ic = WμnCd /{2d[(Uз-Uп-kUподл)Uс-1/2Uc2]},                  (6_25)

где коэффициент k зависит от конструктивных особенностей транзистора.  В пологой области ВАХ транзистора с учетом влияния подложки, после подстановки в (6_25) Uс = Uс - Uп примут вид :

                              (6_26)

Усилительные свойства МДП транзистора будут характеризоваться крутизной по подложке:

              (6_27)

Рис. 90.  Эквивалентная схема МДП транзистора

Эквивалентная схема МДП транзистора, учитывающая возможность управления  по подложке показана на рис. 88

Лекция 21

6.2.3. Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства полевого и биполярного транзистора привели к созданию комбинированного прибора - биполярного транзистора с изолированным затвором, в технической литературе его называют IGBT (от англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое распространение в силовой электронике благодаря тому, что он позволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи.

Рис. 91. Обозначение биполярного транзистора с изолированной базой (IGBT)

Обозначение IGBT показано на рис.91. Как видно из обозначения вход IGBT подобен МДП - транзистору, т.е. это прибор управляемый потенциалом. Выход подобен выходу биполярного транзистора, т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же как у биполярного транзистора.Несмотря на то, что IGBT является единой монолитной кристаллической структурой, по существу это функциональное усилительное устройство, которое может быть представлено в виде схемы показанной на следующем рисунке. , как видно из схемы, коллекторный ток биполярного транзистора Т2 поступает на вход биполярного транзистора Т3, и часть коллекторного тока Т3 поступает на вход Т2. С выхода которого ток опять поступает на вход Т3. Таким образом между двумя выходными биполярными транзисторами имеется положительная обратная связь.

Рис. 92. Эквивалентная схема IGBT

Для токов транзисторов можно записать: iC1=SUЗ, где S - крутизна T1;          iК2= α2 iЭ2 и iК3= α3 iЭ3, где α i - коэффициенты передачи тока биполярных транзисторов.
Для общего тока эмиттера можно записать iЭ=iК2+iК3+iС. Откуда                               iС = iЭ (1–α2–α3). Так как iЭ=iК, то для выходного тока IGBT, равного коллекторному току T3 из предыдущего соотношения получим:

iк=SUЗЭ/[(1–α2-α3)]=SЭКВUЗ.

Соответственно для эффективной крутизны SЭКВ, равной отношению изменения выходного тока IGBT к изменению входного напряжения затвора можно записать SЭКВ=S/[[1 – (α2+α3)]. Как видно из этого соотношения управляя значениями α1 и α2 возможно получить весьма высокую величину эффективной крутизны.

Страницы: 1, 2