Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Полевые (униполярные) транзисторы  Просмотрен 24

 

Полевые транзисторы делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом (рис. 1.15) и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом оказалось проще биполярного.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее p–n-переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

Таким образом, в полевом транзисторе с n-каналом полярности приложенных напряжений следующие: UCИ>0, Uзи≤0. При подаче запирающего напряжения на p-n-переход между затвором и каналом (см. рис. 1.16,а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением.

Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала. При подаче напряжения между истоком и стоком обедненный слой становится неравномерным (рис.1.16,б), сечение канала возле стока уменьшается, и проводимость канала тоже уменьшается.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис.1.17. Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора ( рис. 1.17,а).

На начальном участке характеристик ток стока возрастает с увеличением Uси.

При повышении напряжения сток–исток до Uси=Uзап–[Uзи] происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения Uси и тока Iс, при которых происходит перекрытие канала.

Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою p–n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f(Uзи) (рис. 1. 17,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Из нее видно, что в отсутствии входного напряжения (затвори–сток) канал обладает определенной проводимостью и пропускает ток, называемый начальным током стока Ic0. Чтобы практически «запереть» канал, необходимо приложить к входу напряжение отсечки Uотс. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора I3 от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так как при Uзи <0 р–п-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I3=10-8 …10-9 А), поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

Как и в случае биполярных транзисторов, полевые имеют три схемы включения: с общим затвором, стоком и истоком (рис. 1.18).

Передаточная ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-переходом представлена на рис. 1.17,б.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим

p–n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, низкое падение напряжения на открытом полностью канале. Однако они обладают таким недостатком, как необходимость работать в отрицательных областях ВАХ, что усложняет схемотехнику.

Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: с встроенным каналом (создается при изготовлении) и с индуцированным каналом(канал возникает при работе транзистора). Но их объединяет то, что металлический затвор изолируется от канала тонким (доли мкм) слоем диэлектрика. Отсюда второе название таких транзисторов – МДП-транзисторы (структуры металл-диэлектрик–полупроводник). А так как диэлектрик часто является оксидом кремния, то имеется третье название – МОП-транзисторы (металл–оксид–полупроводник).

Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа изображена на рис. 1.19,a. На подложке из полупроводника р-типа около истока и стока формируются области n-типа с повышенной концентрацией носителей заряда. На поверхности подложки располагается металлический затвор, изолированный от нее слоем диэлектрика. Между стоком и истоком приложено положительное напряжение Uси. Пока управляющее напряжение между затвором и истоком Uзи отсутствует, ток стока равен нулю, так как цепь исток –подложка – сток представляет собой два включенных навстречу друг другу p–n-перехода. Если на затвор подать положительное напряжение, то под действием электрического поля электроны подложки будут перемещаться в направлении к затвору, а дырки – в глубь подложки. В поверхностном слое подложки между истоком и стоком образуется тонкий слой с повышенной концентрацией электронов. Кроме того, часть электронов диффундирует из областей истока и стока. Поэтому между истоком и стоком образуется (индуцируется)

канал по которому перемещаются носители заряда, и ток стока при этом становится отличным от нуля. Очевидно, что с повышением напряжения на затворе увеличивается электрическая проводимость канала, и, следовательно, возрастает ток стока (рис.1.19,в).

Применение изолированного затвора позволило резко поднять входное сопротивление. Если у полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом оно со-

ставляет до 109 Ом, то у МДП-транзисторов – до 1014 Ом.

Разновидностью МДП-транзисторов является транзистор с встроенным каналом (рис.1.20), который создается технологически в поверхностном слое подложки. Это тонкий слой полупроводника, соединяющий исток со стоком, одинакового с ними типа электропроводности.

В таком транзисторе при наличии между стоком и истоком напряжения Uси и при нулевом напряжении на затворе ток стока будет отличен от нуля. При увеличении в сторону положительных (для канала n-типа) значений напряжения между затвором и истоком электрическая проводимость канала за счет обогащения носителями заряда будет увеличиваться, с ток стока – возрастать. Отрицательное напряжение между затвором и истоком будет вызывать сужение канала (обеднение носителями), ток стока будет уменьшаться, а при достижении напряжением некоторого порогового значения — прекратится. Таким образом, транзистор с встроенным каналом управляется разнополярными напряжениями. Межэлектродные емкости полевых транзисторов между затвором и стоком Сзс, а также затвором и истоком Сзи, обычно не превышают 1…20 пФ. Полевые транзисторы с коротким каналом (длиной 1…3 мкм) являются высокочастотными приборами и могут работать на частотах до нескольких десятков гигагерц.

Конструкция МДП-транзисторов постоянно совершенствуется. Для того чтобы такие транзисторы работали на повышенных частотах, необходимо уменьшать длину канала, снижать собственные емкости, пороговое напряжение и пр. Поэтому появляются транзисторы, выполненные, например, по V-технологии с длиной канала менее 0,1 мкм и способные работать до частот 1,5 ГГц.

В интегральных технологиях изготовления микросхем широко используют МДП-структуры специального назначения. Для примера можно упомянуть структуру типа металлнитридоксидполупроводник (МНОП), которую используют для получения запоминающих устройств. Она состоит из тонкого

оксида SiO2 (барьера) и толстого слоя нитрида Si3N4 («ловушка»). При программировании на затвор структуры подают положительное напряжение, достаточное для туннелирования через барьер электронов из подложки. Попав, таким образом, в «ловушку», электроны и созданный ими заряд могут храниться в ней несколько лет, барьер из оксида предотвращает обратный перенос заряда в отсутствии электрического поля. Если на затвор подать достаточно большое отрицательное напряжение, то накопленный заряд рассасывается.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1) крутизна переходной характеристики S = dIc / dUзи при Uси = const (0,1…500 мА/В);

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc = dUси / dIc при Uзи = const (103…106 Ом);

3) сопротивление открытого канала Rк (0,1…300 Ом);

4) начальный ток стока Ic0 при Uзи = 0 (0,01…600 мА);

5) напряжение отсечки Uотс (0,2…10 В);

6) максимально допустимые напряжения стоки–сток, затвор–исток;

7) максимальная мощность рассеивания стока Pc max (сотни ватт);

8) максимальный ток стока Ic max (до сотен ампер);

9) максимальная рабочая частота fmax.

Мощные полевые транзисторы с вертикальным каналом широко применяются в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных источниках питания при максимальным напряжением стоке–исток до 1000 В. Их обычно называют MOSFET-транзисторы.

MOSFET – это аббревиатура от английского словосочетания Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (металл-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы). Данный класс транзисторов отличается, прежде всего, минимальной мощностью управления при значительной выходной (сотни ватт), чрезвычайно малым значением сопротивления в открытом состоянии (десятые доли Ома при выходном токе в десятки ампер), а следовательно, минимальной мощностью, выделяющейся на транзисторе в виде тепла.

Получают транзисторы с вертикальным каналом методом двойной диффузии (рис.1.17.). На подложке n+-типа с введенным эпитаксиальным слоем n- - типа проводят первую диффузию (получают области p-типа). Затем диффузией донорной примеси (фосфор) создают исток с высокой концентрацией носителей n+-типа. Между истоком и стоком в вертикальном направлении создается канал, управляемый напряжением между затвором и истоком.

Поликремниевый электрод затвора изолирован от металла истока слоем SiO2. Такая структура транзистора с вертикальным каналом в отличие от транзисторов с горизонтальным каналом (рис.1.19.) позволяет создать максимальную площадь контактов истока и стока и уменьшить сопротивление выводов.

Следует отметить, что при такой технологии изготовления мощного полевого транзистора в его структуре появляется паразитный биполярный транзистор, который может включиться, когда скорость изменения напряжения на стоке окажется слишком большой.

В зависимости от области применения (низкие напряжения и большие токи или высокие напряжения и жесткие требования к динамическим характеристикам) разработаны различные технологии изготовления MOSFET-транзисторов. Технология MDmesh (Multiple Drain mesh) и STripFET фирмы STMicroelectronics основаны на многочисленных вертикальных p-структурах стока, что значительно уменьшает сопротивление сток/исток в открытом состоянии (RDS ON). Кроме очень низкого RDS ON, новая вертикальная структура кристалла обеспечивает превосходные динамические характеристики (dV/dt). Например, низковольтный (20 В) транзистор STV160NF02L рассчитан на токи до 160 А и имеет сопротивление сток/исток в открытом состоянии 0,0016 Ом. MOSFET-транзисторы другой Z-серии, например STW8NC90Z, рассчитаны на напряжения до 900 В, полностью защищены от электростатического пробоя и выбросов напряжения в затворной цепи вследствие переходных процессов., но обеспечивают токи до 7,6 А и имеют сопротивление сток/исток в открытом состоянии 1,38 Ом.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором(БТИЗ) являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. В литературе этот прибор называют IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

По быстродействию IGBT-транзисторы (рис.1.22) значительно превосходят биполярные. Их чаще всего используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2-0,4 мкс, а время выключения 0,2-1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи 1200 А.

Транзисторы этого типа вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками.

Активные приборы нового типа используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5…3,5В. Как видно из структуры IGBT-транзистора (рис. 1.22), это достаточно сложный прибор, в котором транзистор типа рпр управляется МОП-транзистором с каналом типа п.

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 1.23,а) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 появляется электропроводный канал. Через него эмиттер транзистора IGBT (коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4. Это приводит к тому, что он полностью отпирается и падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1.

В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерного перехода VТ4).

При увеличении напряжения, приложенного к транзистору IGBT, увеличивается ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при этом падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.

При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, характерных для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой п+ и широкая базовая область n обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора. Общая картина включения и выключения достаточно сложная, так как наблюдаются изменения подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их применяют в ключевом режиме.

 


При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис. 1.24.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ), имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 1.25,а. На этой схеме VT – полевой транзистор с изолированным затвором, Т1 – паразитный биполярный транзистор, R1 –последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R2 – сопротивление, шунтирующее переход базаэмиттер биполярного транзистора Т1. Благодаря сопротивлению R2 биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 1.25,б, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R1.

 


Рис. 1.25. Схема замещения ПТИЗ с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные характеристики (б), схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики (г)

 

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р–n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 1.25,в) появляется еще один p–n–p-транзистор T2. Образовавшаяся структура из двух транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора T2 влияет на ток базы транзистора T1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзистора Т2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют значения α1 и α2, соответственно, находим Iк2 = Iэ2α2, Iк1 = Iэ1α1 и Iэ = Iк1 + Iк2 + Iс.

Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

Ic = Iэ(1 – α1 – α2).

Поскольку ток стока Iс ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжение UЗ, на затворе IC = SUЗ, определим ток IGBT транзистора

,

где Sэ = S/ [1 – (α1 + α2)] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором. Очевидно, что при α1 + α2 ≈ 1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения α1 и α2 можно изменением сопротивлений R1 и R2 при изготовлении транзистора. На рис. 1.25,г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP402 получено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT-транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R2 шунтируется двумя насыщенными транзисторами T1 и Т2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 1.26. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5...6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействие полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5... 1,0мкс.

Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие из нескольких компонентов (рис. 1.26, а – г). Их условные обозначения включают: букву М– модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – максимальный ток; цифры: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). Например модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт.

 

Статический индукционный транзистор (СИТ или SIT-транзистор) представляет собой полевой транзистор с управляющим p–n-переходом, который может работать при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора) и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ-транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет собой нормально открытый прибор с управляющим p–n-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток–исток находится в проводящей состоянии (рис.1.27). Перевод транзистора в непроводящее состояние осуществляется с помощью запирающего напряжения Uзи отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого CИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления канала Rси в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

СИТ-транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20...25 нс при задержке не более 50 нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное стояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в биполярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных носителе заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключения и может лежать в пределах от 20 нс до 5мкс.

Специфической особенностью СИТ-транзистора, затрудняющей его применение в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала (рис.1.27.). Для его запирания необходимо подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсечки.

Этого недостатка лишены БСИТ-транзисторы, в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю.

Благодаря этому БСИТ-транзисторы при отсутствии напряжения на затворе заперты, так же как и биполярные транзисторы, что и отражено в названии транзистора – биполярные СИТ-транзисторы.

Поскольку СИТ- и БСИТ-транзисторы относятся к разряду полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ-транзисторы можно только по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника. Например, СИТ-транзистор КП926 имеет максимальное значение напряжения 400 В, ток стока 16 А, напряжение отсечки – 15 В, а БСИТ-транзистор КП955 – напряжение 450 В, ток 25 А, напряжение отсечки 0 В.

Несмотря на высокие характеристики СИТ- и БСИТ-транзисторов, они уступают ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. К достоинствам СИТ-транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1... 0,025 Ом.

 

Предыдущая статья:Биполярный транзистор Следующая статья:Тиристоры
page speed (0.0151 sec, direct)