Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET или МДП-транзисторы)

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 31Следующая ⇒

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в МДП-транзисторах затвор изолирован от области токопроводящего канала слоем диэлектрика. Отсюда и название МДП – металл-диэлектрик-полупроводник. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Поэтому другое название – МОП-транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает очень высокое входное сопротивление транзисторов (10¹²-10¹⁴) Ом.

Принцип действия МДП- транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП- транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

МДП - транзисторы представляют собой в общем случае четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом, выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП- транзисторы могут быть с каналом n- или р-типа. Условные обозначения МДП - транзисторов показаны на рис. 3.20.

Конструкция МДП- транзистора со встроенным каналом n-типа показана на рис. 3.20, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала n-типа. Слой окисла SiO₂ выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки иногда присоединяют к истоку.

Стоковые характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа показаны на рис. 3.21, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n-переходом. Различие заключается в том, что входное напряжение U_зи может быть как положительной так и отрицательной полярности.

Если к затвору приложено отрицательное напряжение U_зи < 0, то поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и уменьшению проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U_зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U_зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации зарядов в канале называют режимом обеднения.

При подаче на затвор напряжения U_зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация зарядов в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость канала возрастает, ток I_с увеличивается. Стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U_зи = 0.

Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом приведена на рис. 3.21, в. Ее отличие от стоко-затворной характеристики транзистора с p-n-переходом обусловлено возможностью работы как при U_зи < 0 (режим обеднения), так и при U_зи > 0 (режим обогащения).

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 3.22, а. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 3.22, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление током осуществляется напряжением U_зиодной полярности, совпадающей с полярностью U_си.

Вид стоко-затворной характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведен на рис. 3.22, в.

Полевые, транзисторы играют важную роль в диапазоне малых и средних мощностей. Сопротивление в открытом состоянии низковольтных MOSFET (до 200 В) было уменьшено за последние годы более чем в 10 раз. Это было достигнуто оптимизацией геометрии ячейки и использования технологии утопленного канала (trench-gate technology). Плотность упаковки современных низковольтных MOSFET достигает в настоящее время 100 млн. элементарных ячеек на квадратный дюйм. Для низковольтного диапазона напряжений можно предсказать непрерывное развитие MOSFET для снижения статических потерь и повышения стойкости.

Для высоковольтных MOSFET настоящей революцией была технология создания суперперехода, реализованная "Infineon Technology" в семействе высоковольтных MOSFET – CoolMOS. Поэтому высоковольтные MOSFET будут иметь все большее и большее значение в диапазоне напряжений от 500 до 1200 В.

В течение ближайших пяти лет на рынке могут появиться полевые транзисторы, управляемые р-п-переходом (VJFET), на базе карбида кремния (SiC). Также имеется потенциал для использования в качестве быстрых и стойких высоковольтных ключей каскодных соединений SiC — MOSFET с низковольтными кремниевыми MOSFET.

Однопереходные транзисторы

Однопереходный транзистор (ОПТ) или двухбазовый диод представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, имеющим участок отрицательного сопротивления.

Конструктивно полупроводниковый прибор выполнен в виде пластины полупроводникового материала, на концах которой расположены омические (невыпрямляющие) контакты баз Б1 и Б2, а на боковой стороне – один p-n-переход (рис. 3.23, а). Вывод из области р называют эмиттерным.

Обычно длина l₁ ,базы Б1 значительно меньше, чем длина l₂ базы Б2.

К выводам Б2, Б1 подводится внешнее напряжение U_бб, под действием которого через ОПТ протекает межбазовый ток I_бб. Этот ток вызывает в кристалле падения напряжения, которые распределяются пропорционально длинам участков l₁ и l₂, причем l₂ >> l₁. Падение напряжения ∆U в области базы Б1 приложено положительным полюсом к n-области, прилегающей к эмиттеру, а отрицательным полюсом через внутреннее сопротивление источника сигнала U_э – к р-области эмиттера. Таким образом, p-n-переход эмиттер-база смещен в обратном направлении и через него протекает небольшой обратный ток I_эо (рис. 3.23, б).

После подачи входного сигнала U_вх = U_э указанной на рис.28, а полярности, обратный ток эмиттер-база I_эо уменьшается, так как напряжение U_э направлено встречно падению напряжения ∆U. По мере увеличения напряжения U_э ток I_э становится равным нулю. При дальнейшем увеличении U_э ток в цепи эмиттер-база становится положительным и при некотором его значении начинается интенсивная инжекция носителей заряда – дырок – в область базы Б1. При этом развивается лавинный процесс. Увеличение количества носителей заряда в области базы приводит к уменьшению сопротивления R_Б1 этой области при практически неизменном межбазовом токе. Постоянство базового тока I_б обеспечивается выполнением условия R_Б2>> R_Б1, так как l₂>> l₁. Уменьшение R_Б1 приводит к уменьшению ∆U = R_Б1I_б, следовательно увеличивается разность U_э - ∆U в пользу U_э, значит увеличивается ток эмиттер-база, уменьшается R_Б1 и т.д. Этот процесс приводит к появлению участка вольт-амперной характеристики (ВАХ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок II). Процесс продолжается до тех пор, пока область Б1 не насытится носителями заряда. Далее нарастание тока в цепи потребует увеличения приложенного напряжения (участок III ВАХ), чему способствует наличие внутреннего сопротивления источника сигнала U_э.

Таким образом, ОПТ – это полупроводниковый прибор с нелинейной ВАХ эмиттерной цепи S-образного типа (в отличие от туннельного диода, где ВАХ – N-образного типа). Такая характеристика позволяет использовать его в режиме переключения. Как видно из рис. 28, б, ВАХ ОПТ может пересекаться с нагрузочной прямой IV в двух точках: точке 1 при минимальном токе и точке 2 – при максимальном эмиттерном токе и минимальном напряжении на эмиттере.

Чтобы включить ОПТ (увеличить I_э), необходимо несколько уменьшить напряжение U_бб. Тогда уменьшится ток I_б, уменьшится ∆U, ВАХ сместится в положение, показанное пунктиром, и из точки 1¢ ОПТ переместится в точку 2¢. Выключение ОПТ производится уменьшением U_э (нагрузочная прямая смещается в положение IV¢).

Особенностью ОПТ является стабильность точки переключения U_пер. Для дальнейшего увеличения стабильности U_пер в цепь межбазового тока включается небольшое сопротивление R_доб.

ОПТ получили распространение в схемах управления тиристорами, в импульсных схемах для построения генераторов, преобразователей сигналов и т.п.

Биполярные транзисторы (bjt)

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом проводимости слоев и содержит два p-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рис. 3.24, а, б). Их условное обозначение на схемах электрических принципиальных показано на рис. 3.24, в, г. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий или кремний (германиевые и кремниевые транзисторы).

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии, показана на рис. 3.24, д. Пластина полупроводника n-типа является основанием, б а з о й (отсюда и название слоя) конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется э м и т т е р н ы м, а другой к о л л е к т о р н ы м. Также называются и p-n-переходы, создаваемые этими слоями, а также и внешние выводы от этих слоев.

Функция эмиттерного перехода – инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу. Функция коллектороного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Пример конструктивного исполнения маломощного транзистора показан на рис. 3.24, е.

В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа p-n-p – это дырки, а в приборах типа n-p-n – электроны.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1202; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!