Полевые транзисторы. Основные сведения и классификация презентация

Глава 4. Полевые транзисторы 4.1. Основные сведения и классификация

Идею создания полевых транзисторов, иначе называемых униполярными или канальными, в 1952 г. предложил один из создателей биполярного транзистора У. Шокли. Главным достоинством этих транзисторов является высокое входное сопротивление (как у ламп и даже больше). Принцип устройства и схема включения полевого транзистора изображены на рис. 1. Рис. 1 - Полевой транзистор с p-n-переходом и каналом n-типа Пластинка из полупроводника (в нашем случае n-типа) имеет на противоположных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника E2 и в нее включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит ток основных носителей (в нашем случае электронный ток). Входная (управляющая) цепь транзистора образована при помощи третьего электрода, являющейся областью с другим типом электропроводности (в нашем случае это p-область). Источник E1 создает на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Прямое напряжение на переход не подается, поскольку тогда входное сопротивление транзистора будет очень малым. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК. Рассмотрим физические процессы в полевом транзисторе. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в результате чего изменяется толщина запирающего слоя (на рисунке эта область ограничена штриховыми линиями). Соответственно меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда (выходной ток). Эта область называется каналом. Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду лампы (или эмиттеру и коллектору биполярного транзистора) соответственно. Управляющий электрод, который предназначен для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором. Затвор аналогичен сетке лампы (или базе биполярного транзистора), хотя принцип их работы сильно отличается. Если увеличивать напряжение на затворе, то запирающий слой становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Его сопротивление постоянному R0 току растет и ток стока iс уменьшается. При определенном напряжении на затворе площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток стока уменьшится до весьма малого значения. Транзистор закроется. При напряжении на затворе, равным 0 сечение канала возрастет до наибольшего значения, сопротивление R0 уменьшится до наименьшего значения, ток стока увеличится до максимального значения. Для более эффективного управления выходным током с помощью входного напряжения, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой получается наибольшей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при нулевом входном напряжении) должна быть достаточно малой. Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение перехода увеличивается и толщина запирающего слоя становится больше. Полевые транзисторы с изолированным затвором Помимо полевых транзисторов с управляющим переходом существуют так называемые транзисторы с изолированным затвором. По-другому такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). На рис. 2 показан принцип устройства такого транзистора.

Рис. 2 - Принцип устройства МДП-транзистора с собственным каналом n-типа Основанием служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n+-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область - диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 - 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Рассмотренный транзистор называют транзистором с собственным (встроенным) каналом. Посмотрим, как же он работает. Если на затвор приложено нулевое напряжение, то, подав между стоком и истоком напряжение, через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p-n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока и стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную. Другим типом является так называемый транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 3). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. Рис. 3 - Принцип устройства транзистора с индуцированным каналом n-типа При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком n+-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n+-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (единицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения (очень часто в звукотехнике). Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные. Следует также помнить, что полевые транзисторы очень "боятся" статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от статического электричества.

4.2. Устройство и принцип действия и ВАХ полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Статические характеристики полевого транзистора с р-n- переходом

4.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором В них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Отсюда и название транзистора – МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) - или МОП-транзистор. Принцип действия МДП транзистора основан на управлении пространственным зарядом полупроводника канала через слой диэлектрика. Различают МДП-транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком и стоком индуцируется (наводится) управляющим напряжением затвора. В этих транзисторах при разности потенциалов между истоком и затвором, равной нулю, электропроводность между стоком и истоком практически отсутствует. В МДП транзисторах со встроенным каналом канал соединяющий области стока и истока создают на этапе изготовления транзистора.

4.3.1. МДП – транзистор с индуцированным каналом

4.3. ВАХ полевого транзистора (математическая модель)

4.5. Формальная схема замещения полевого транзистора и ее дифференциальные параметры

4.6. Физическая эквивалентная схема полевого транзистора

4.7. Зависимость параметров полевого транзистора от режима работы и температуры

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, который включае в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии. В настоящее время коммутируемое IGBT напряжение достигает 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении; прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс). По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно. IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними.

6.5.3. Приборы с зарядовой связью Одним из новых классов приборов со структурой МДП являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Принцип действия ПЗС основан на хранении заряда неосновных носителей тока в потенциальных ямах, возникающих вблизи поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля, и на перемещении этого заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Функциональные возможности ПЗС определили области их практического применения, которыми являются: – аналоговые устройства (линии задержки сигналов, устройства фазовой коррекции, фильтры и т.д.); – цифровые устройства (сдвиговые регистры, логические схемы динамического типа и др.); – оптоэлектронные устройства, используемые для формирования сигналов изображения. Структура ПЗС представляет собой (рис.6.23) кремниевую подложку с проводимостью n-типа, на которой сформирован слой окисла SiO2. На окисном слое формируются металлические электроды (затворы). Структура ПЗС очень проста, так как, по существу, состоит из трех слоев. Однако следует отметить, что к технологии изготовления ПЗС предъявляются гораздо более жесткие требования в отношении совершенства границы раздела полупроводник-диэлектрик, чем к технологии МДП-транзисторов. Если для МДП-транзисторов достаточно обеспечить плотность поверхностных состояний NПС = 1011 см-2, то для функционирования ПЗС это значение должно быть меньше на один два порядка. Для ПЗС характерны два режима работы: режим хранения и режим передачи информационного заряда. В режиме хранения на один из затворов ПЗС (31) подается отрицательное напряжение (напряжение хранения UХР). Под действием этого напряжения под затвором ПЗС возникает обедненная основными носителями заряда область, которая является потенциальной ямой для неосновных носителей (дырок). Рис.6.23. Структура ПЗС в режиме хранения (а) и передачи (б) информационного заряда: 1– информационный заряд; 2– потенциальная яма; 3– более глубокая потенциальная яма Если имеется источник неосновных носителей заряда, то потенциальная яма заполняется дырками, которые притягиваются к поверхности и локализуются в узком приповерхностном слое. Это соответствует режиму хранения информационного заряда, т.е. потенциальные ямы обладают «памятью». Источниками неосновных носителей заряда могут быть инжектирующие p–n-переходы, световой поток, вызывающий генерацию электронно-дырочных пар, и др. Информационный заряд не может храниться в ПЗС в течение длительного времени вследствие процессов термогенерации, которые приводят к накоплению паразитного заряда дырок в потенциальной яме. В цифровых устройствах на ПЗС накапливаемый паразитный заряд искажает состояние логического нуля (отсутствие информационного заряда), а в аналоговых приводит к искажению аналоговой информации. Таким образом, ПЗС могут работать лишь в динамическом режиме. Максимальная длительность хранения информации в ПЗС может изменяться в интервале от сотен миллисекунд до десятков секунд в зависимости от качества обработки поверхности и свойств исходного материала. Такая длительность хранения информации вполне достаточна для большинства областей применения ПЗС, однако их нельзя использовать для долговременных запоминающих устройств. Вторым характерным режимом для ПЗС является передача информационного заряда. Для передачи заряда на соседний затвор (32) поступает импульс записи UЗАП. Напряжение записи является более отрицательным по сравнению с напряжением хранения, подаваемым на первый затвор. Поэтому под соседним затвором создается более глубокая потенциальная яма, к которой будут притягиваться дырки, хранившиеся под затвором 31. Первоначальные условия хранения восстанавливаются при снятии напряжения хранения с затвора 31 и уменьшении напряжения записи на затворе 32 до значения напряжения хранения. Как только установится режим хранения под затвором 32, процесс передачи заряда может быть повторен по отношению к другому соседнему затвору. Таким образом происходит передача заряда вдоль поверхности полупроводника от затвора к затвору. При разработке устройств на ПЗС необходимо учитывать частичную потерю заряда при его переходе от одного затвора к другому. Вследствие этого информационный заряд будет постепенно уменьшаться. Наиболее значительными при работе ПЗС являются потери заряда из-за наличия поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, которые являются центрами захвата носителей. Для уменьшения нежелательного воздействия поверхностных состояний на перенос заряда производят смещение всех электродов ПЗС-структуры на одинаковую величину в область обеднения. Потери заряда также существенны, если металлические электроды ПЗС разделены широкими зазорами. В этом случае вблизи зазоров возможно образование потенциальных барьеров для неосновных носителей заряда. Поэтому в процессе передачи часть носителей заряда с энергией, соответствующей высоте потенциального барьера, может остаться в области своей первоначальной локализации и рекомбинировать в ее окрестности после снятия импульса напряжения хранения с соответствующего затвора. Необходимо отметить, что получение малых межэлектродных промежутков (менее 1 мкм) в ПЗС с однослойной металлизацией сопряжено со значительными трудностями прецизионной фотолитографии. Как уже указывалось, ПЗС используются для построения запоминающих и других устройств вычислительной техники. На ПЗС можно сравнительно просто реализовать сдвиговые регистры. На рис.7.24 показана схема работы трехтактного сдвигового регистра на ПЗС. Каждый электрод ПЗС соединен с одной из трех шин, на которые от внешнего генератора подаются тактовые импульсы.