Электроника 1.1 / Физические основы электроники

Структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл – окисел (диэлектрик) – полупроводник; такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал – окисел – полупроводник), или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник).

4.5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p-типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа

(в нашем случае n -типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния SiO2 ) толщиной порядка 0,1 мкм, а на нем методом

напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания [называемого подложкой (П)] также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Рис. 4.6. Структура полевого транзистора

с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа

Если в отсутствие напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение Uси любой полярности, то через канал поте-

чет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, т. к. один из p–n-переходов будет находиться под действием обратного напряжения.

151

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим назы-

вается режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и характеристика управления (рис. 4.7, б).

Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p–n-переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения Uси от нуля сначала

действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении Uси канал начинает

сужаться в большей мере возле стока, т. к. на p–n-переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение; область этого перехо-

152

да, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения Uси , при котором наступает электрический пробой.

Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n-типа, токопроводящий канал должен быть p-типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.

СС

Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

4.5.2. Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом

Устройство такого транзистора показано на рис. 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока.

Рис. 4.9. Структура полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа

При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, т. к. один из p–n-пере- ходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение по-

153

ложительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области, и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа, и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.

Если кристалл полупроводника имеет электропроводность n-типа, то области истока и стока должны быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Uзи3 Uзи 2

Активная

Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа

СС

Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

154

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис. 4.11.

В последнее время МДП-транзисторы все чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Выводы

1.Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.

2.В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.

3.Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.

4.Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

5.Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистора

МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обобщающее сравнение транзисторов этих двух типов.

Внастоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные

вряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда.

155

В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.

Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-тран- зисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы

156

имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150 °C (для биполярных транзисторов – 200 °C).

К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии его изготовления. Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний «паразитный» биполярный n–p–n-транзистор (рис. 4.12), образованный

n -истоком (эмиттер), p-областью инверсного канала (база) и эпитакси-

альным n слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-транзистора.

Рис. 4.12. Паразитные элементы структуры мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема базовой ячейки (б)

Для сохранения положительных свойств МДП-транзистора и исключения начала работы биполярного транзистора часть p-области всегда подключают к металлизированному контакту истока (это эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора). Биполярный транзистор оказывается запертым и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора. Однако быстрый спад или, наоборот, рост напряжения «сток–исток» полевого транзистора, что является обычным в динамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы.

Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент – обратновключенный диод. Поэтому МДПтранзистор проектируют таким образом, чтобы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.

157

4.6. Комбинированные транзисторы

Вред от паразитного биполярного транзистора в составе МДПтранзистора можно обратить в пользу, если к нему добавить еще один дополнительный биполярный транзистор обратного типа проводимости по отношению к паразитному. Такое компромиссное решение, позволившее объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора, представляет собой создание монолитной структуры, называемой IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor), т. е. биполярный транзистор с изолиро-

ванным затвором (БТИЗ). Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая

пластина с дырочной p -электропроводностью (рис. 4.13, а).

В результате получится комбинированная схема рис. 4.13, б, содержащая: МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и подключенный к нему еще один биполярный транзистор VT 2 . Образовавшаяся структура из транзисторов VT1 и VT 2 имеет положительную внутреннюю обратную связь, т. к. базовый ток транзистора VT1 является частью коллекторного тока транзистора VT 2 , и, наоборот, базовый ток транзистора VT 2 является частью коллекторного тока транзистора VT1.

Рис. 4.13. Структура IGBT (а) и ее эквивалентная схема (б)

Коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT 2 равны соответственно α1 и α2 .

Тогда токи коллектора и эмиттера определяются так:

158

Ток стока полевого транзистора определяется по выражению

С другой стороны, ток стока можно определить через крутизну S стокозатворной характеристики:

Всю рассмотренную схему можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора, который управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, но имеет по сравнению с ним значительно бόльшую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, здесь отсутствует явление вторичного пробоя, характерное для классических биполярных транзисторов.

Конструктивно IGBT выполняются в виде дискретных элементов (рис. 4.14, а) либо в виде силовых модулей (рис. 4.14, б), имеющих в своем составе несколько IGBT, выполненных в едином корпусе. Условное графическое изображение транзисторов представлено на рис. 4.14, в, г. На рис. 4.15 изображены типовые коллекторные характеристики (выходные).

Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзи- сторов, но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора и, как следствие, – со временем рассасывания этих носителей.

Процесс запирания IGBT представлен на рис. 4.16. Заряд, накопленный в базе биполярного транзистора, вызывает характерный «хвост» тока при выключении IGBT.

Как только имеющийся в составе IGBT полевой транзистор прекращает проводить ток, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей, которая является началом «хвоста». Этот «хвост»

159

ведет к увеличению тепловых потерь, а также его необходимо учитывать в мостовых схемах и вводить промежуток между интервалами проводимости двух ключей, установленных в одном плече моста. Для уменьшения «хвоста» необходимо снизить коэффициент усиления биполярного транзистора, но тогда увеличивается напряжение насыщения открытого IGBT и соответственно статические потери.

К

З

Э

К

З

Э

Рис. 4.14. Конструкции IGBT: дискретное (а) и модульное (б) исполнение; условное графическое обозначение: отечественное (в); зарубежное (г)

Рис. 4.15. Типовые коллекторные характеристики

Тем не менее, несмотря на отмеченные особенности, IGBT на сегодняшний день представляются самыми перспективными элементами для использования в качестве силовых управляемых ключей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.

160