Моп транзистори
Лекція 4 МОП-ТРАНЗИСТОРИ
1. Класифікація польових транзисторів
4. Конструкція та технічні характеристики потужних МОП-транзисторів
4. Біполярні транзистори з ізольованим затвором
1. Класифікація польових транзисторів
Польовий транзистор (ПТ) - напівпровідниковий прилад, в якому регулювання струму здійснюється зміною провідності провідного каналу за допомогою поперечного електричного поля. На відміну від біполярного ток польового транзистора обумовлений потоком основних носіїв.
Електроди польового транзистора називають витоком (І), стоком (С) і затвором (З). Керуюча напруга прикладається між затвором і витоком. Від напруги між затвором і витоком залежить провідність каналу, отже, і величина струму. Таким чином, польовий транзистор можна розглядати як джерело струму, керований напругою затворісток. Якщо амплітуда зміни керуючого сигналу досить велика, опір каналу може змінюватися в дуже великих межах. В цьому випадку польовий транзистор можна використовувати в якості електронного ключа.
За конструкцією польові транзистори можна розбити на дві групи:
з керуючим p-n-переходу;
з металевим затвором, ізольованим від каналу діелектриком. Транзистори другого виду називають МДП-транзисторами (метал -
діелектрик - напівпровідник). У більшості випадків діелектриком є двоокис кремнію SiO 2. тому зазвичай використовується назва МОН-транзистори (метал - оксид - напівпровідник).
Провідність каналу польового транзистора може бути електронною або доречний. Якщо канал має електронну провідність, то транзистор називають n- канальним. Транзистори з каналами, що мають дірковий провідність, називають p- канальними. У МОП-транзисторах канал може бути збіднений носіями або збагачений ними. Таким чином, поняття «польовий транзистор» об'єднує шість різних видів напівпровідникових приладів.
МОП-транзистори знаходять широке застосування в сучасній енергетичній електроніці. У порівнянні з іншими напівпровідниковими
приладами, такими як біполярні транзистори або тиристори, вони мають такі переваги:
1. Малий час перемикання і, внаслідок цього, малі втрати при перемиканні;
2. Мала потужність, що витрачається на перемикання;
4. Можливість використання добре відпрацьованих технологій виробництва МОП-інтегральних схем.
Головні сфери застосування потужних МОП-транзістоов - електричні приводи змінного струму, перетворювачі частоти для електротехнологічних установок, джерела вторинного електроживлення. У таких пристроях використовуються переважно МОП-транзистори з індукованим каналом. Тому в подальшому будуть розглядатися в основному саме такі прилади.
МОП-транзистор з індукованим каналом. Структура транзистора з індукованим каналом n-типу показана на рис. 4.1, а. На рис. 4.1, б наведено його умовне графічне позначення. Підкладкою служить (кристал кремнію p-типу. У МОП-транзисторів є додатковий висновок від підкладки. Металевий затвор відділений від напівпровідника шаром діелектрика. У якості діелектрика використовується шар двоокису кремнію товщиною 0.002-0.05 мкм, вирощений на поверхні кремнію n- типу. Області стоку і витоку леговані сильніше, ніж канал, і позначені n +.
Канал виникає тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. При нульовій напрузі канал відсутній. При цьому між стоком і витоком включені два назад зміщених p-n- переходу. Один p-n- перехід утворюється на кордоні між підкладкою і стоком, а інший - між підкладкою і витоком. Таким чином, при нульовій напрузі на затворі опір між стоком і витоком дуже велике, струм стоку мізерно малий і транзистор знаходиться в стані відсічення.
Якщо між затвором і витоком включений джерело напруги (рис. 4.2), то електричне поле затвора виштовхує дірки з приповерхневого шару підкладки і притягує в цей шар електрони. В результаті в області підкладки, що примикає до діелектрика, утворюється провідний канал n-типу. Такий канал називають індукованим. Зі збільшенням позитивного напруги затвор-витік U зи зростає концентрація електронів в каналі, отже, збільшується його провідність.
Якщо між стоком і витоком прикладена позитивна напруга, в індукованому каналі виникає струм стоку. Його величина залежить як від напруги U зи. так і від напруги стік-витік U сі. Напруга затвора, при якому з'являється помітний струм стоку, називають граничним і позначають U 0. Граничне напруга МОП-транзистора з індукованим каналом n-типу позитивно. Його величина становить для сучасних потужних МОП-транзисторів 2 - 4 В.
Чим більша напруга затвор-витік перевищує порогове, тим більша кількість електронів втягується в канал, збільшуючи його провідність. Якщо при цьому напруга стік-витік невелика, провідність каналу пропорційна різниці U зи - U 0.
Якщо напруга стік-витік перевищує напруга насичення U нас = U зи - U 0. транзистор переходить в режим насичення і зростання струму припиняється. Пояснюється це тим, що напруга між затвором і поверхнею каналу зменшується в напрямку стоку. Поблизу витоку воно дорівнює U зи. а в околиці стоку - різниці U зи - U сі. Тому при збільшенні напруги U сі перетин каналу зменшується у напрямку до стоку, а його опір збільшується. При значеннях U сі. перевищують напруга насичення, канал перекривається і струм стоку
незмінним. Очевидно, що кожному значенню
своє значення напруги насичення.
Сімейство вихідних характеристик транзистора з індукованим каналом показано на рис. 4.4. На вихідних характеристиках можна виділити лінійну (тріодний) область, області насичення і відсічення. Кордон між лінійної областю та областю насичення показана на рис. 4.3 пунктиром.
У режимі відсічення U зи
У лінійному (тріодном) режимі U зи> U 0. а напруга стік-витік не перевищує напруга насичення
U сі £ U нас = U зи - U 0.
Вихідна характеристика на ділянці, відповідному лінійному режиму, апроксимується виразом
I з = b [(U зи - U 0) U сі - 0.5 U сі 2].
В (4.2) μ - приповерхнева рухливість носіїв, C 0 - питома ємність
затвор-канал, L - довжина, W - ширина каналу.
Якщо напруга стік-витік мало, як часто буває в імпульсних і ключових схемах, квадратичним складовою в (4.1) можна знехтувати. В цьому випадку ми отримуємо лінійну залежність:
I з = b (U зи - U 0) U сі.
Величину b (U зи - U 0) називають провідністю каналу. а зворотний величину - опором каналу:
R сі = b (U зи 1 - U 0).
Таким чином, при малих напругах стік-витік МОП-транзистор еквівалентний лінійному резистори, опір якого регулюється напругою затвора. Опір еквівалентного резистора може змінюватися від десятків Ом до десятків МОм. Якщо U зи
Режим насичення МОП-транзистора з індукованим каналом виникає, коли U зи> U 0. а напруга стік-витік перевищує напруга насичення
U сі ³ U нас = U зи - U 0.
В області насичення гілки вихідний характеристики розташовані майже горизонтально, т. Е. Струм стоку практично не залежить від напруги U сі. Таким чином, в режимі насичення канал МОП-транзистора має
високий опір, а транзистор еквівалентний джерела струму, керованого напругою затвор-витік.
Область насичення є робочою, якщо транзистор використовується для посилення сигналів. Області відсічення і лінійна використовуються, коли транзистор працює в режимі ключа.
Передатна характеристика МОП-транзистора з індукованим каналом показана на рис. 4.4. При нульовій напрузі на затворі струм стоку дорівнює нулю. Помітний ток з'являється тоді, коли напруга затвора перевищить граничне значення U 0.
Передатна характеристика МОП-транзистора для області насичення апроксимується виразом
Питома крутизна характеристики МОП-транзистора визначається виразом (4.2).
МОП-транзистори з вбудованим каналом. Структура МОПтранзістора з вбудованим каналом n- типу показана на рис. 4.5, а. На рис. 4.5, б наведено його умовне графічне позначення. Підкладка (кристал кремнію p-типу) служить для створення на ній каналу n-типу.
При подачі негативної напруги на затвор металевий електрод затвора заряджається негативно. У прилеглій до діелектрика поверхні каналу утворюється збіднений шар. Ширина збідненого шару залежить від напруги U зи. Такий режим роботи МОП-транзистора, коли концентрація носіїв в каналі менше рівноважної, називають режимом збідніння. При деякій величині негативного напруги U зи канал повністю перекривається збідненим шаром і ток припиняється. Ця напруга називають напругою відсічення МОП-транзистора з вбудованим каналом і позначають U відступ.
Исток n + (кремній)
Струм МОП-транзистора з вбудованим каналом при нульовій напрузі на затворі має нульове значення, зване початковим I з поч. Якщо U зи> 0. число електронів в каналі збільшується. Це призводить до збільшення провідності каналу. Такий режим роботи транзистора з вбудованим каналом, при якому концентрація носіїв в каналі більше рівноважної, називають режимом збагачення.
Таким чином, МОП-транзистор з вбудованим каналом може працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення, при позитивному напрузі U зи. Вихідні характеристики МОПтранзістора з вбудованим каналом n-типу показані на рис. 4.6.
Передатна характеристика МОП-транзистора з вбудованим каналом показана на рис. 4.7.
Початкове значення струму стоку МОП-транзистора з вбудованим каналом визначається виразом
I c нач = μ C 0 W L U 0 2.
Тут μ - приповерхнева рухливість носіїв, C 0 - питома ємність затвор-канал. Довжина каналу L дорівнює відстані між областями стоку і витоку, а ширина W - протяжності цих областей.
4. Конструкція та технічні характеристики потужних МОП-транзисторів
Силові МОП-транзистори з'явилися в результаті розвитку інтегральних МОП-технологій. Необхідність розробки таких приладів мотивувалася тим, що потужні біполярні транзистори вимагають великих керуючих струмів, а також мають обмежене швидкодію.
Структура малопотужних МОП-транзисторів, розглянута вище, непридатна для пристроїв силової електроніки. Струм стоку МОПтранзістора, що працює в режимі насичення, визначається формулою (4.3). Для збільшення струму необхідно збільшити відношення W L. Однак зменшення довжини каналу L призводить до зниження напруги пробою. Тому горизонтальна структура на рис. 4.1 не підходить для силових приладів, де напруги стік-витік можуть досягати сотень вольт.
Силові МОП-транзистори мають вертикальну структуру (рис. 4.8). Електрод стоку розташований внизу, а не в одній площині з витоком, як у малопотужних МОП-транзисторів. Прилад містить слаболегірованних n - - область, що забезпечує високу напругу між стоком і витоком.
Якщо напруга затвор-витік перевищує порогове напруга U 0. під шаром діелектрика в p- областях виникає горизонтальний провідний канал. Його довжина дорівнює L (рис. 4.8)
Потік електронів через канал, що утворився і n - - шар потрапляє в область стоку. Напрямок потоку електронів показано на рис. 4.8 пунктиром
Довжина каналу L в МОП-транзисторі такої конструкції становить 1-2 мкм. У той же час напруга пробою між стоком і витоком може досягати сотень вольт, а струм витоку - десятків ампер. Це пояснюється тим, що область об'ємного заряду розташована головним чином в слаболегірованних області стоку і не впливає на канал. Максимальна напруга стік-витік залежить від ступеня легування n - - шару і його товщини.
Структура потужних МОП-транзисторів істотно відрізняється від структури малосигнальних транзисторів. У той же час характеристики приладів схожі. Гранична напруга потужних МОП-транзисторів складає від 2 до 4 В. В режимі насичення зв'язок між струмом стоку і напругою затвор-витік визначається рівністю (4.3). Однак при великих значеннях напруги U зи передавальна характеристика стає майже лінійної. Це пояснюється тим, що зі збільшенням напруги стік-витік напруженість електричного поля в каналі досягає критичного значення, і швидкість носіїв заряду перестає рости (ефект насичення швидкості).
У лінійної області передавальної характеристики струм стоку визначається виразом
I c = 1 2 C 0 WV на с (U зи - U 0).
Тут V на с - швидкість насичення носіїв. Для електронів і дірок вона приблизно однакова і становить приблизно 10 5 м / с.
Передавальний провідність МОП-транзистора g m пропорційна ширині каналу W. Оскільки силові прилади мають відносно великі геометричні розміри, великий буде і передавальна провідність.
Потужні МОП-транзистори працюють переважно в ключовому режимі. Тому для них найважливішими параметрами є опір каналу у відкритому стані, а також час включення і виключення.
У низьковольтних вертикальних МОП-транзисторах товщина n - - шару невелика, і основну частку опору каналу становить сильно легований тільки n + - шар. У транзисторах з номінальною напругою стік-витік більше 100 В основний внесок в опір каналу вносить n - - шар.
Конструкції сучасних МОП-транзисторів дозволяють зменшити опір листівок каналу до величини, яка менша 0.1 Ом. Таке мале опір мають багатоканальні структури, в яких канали з'єднані паралельно. Число каналів при цьому може досягати декількох тисяч. Паралельне опір каналів МОП-транзистора можливо тому, що при зростанні температури опір каналу збільшується. Якщо з якої-небудь причини струм одного з каналів збільшиться, зросте і його температура. Це призведе до збільшення опору каналу і зменшення струму. Таким чином, при паралельному з'єднанні каналів МОП-транзистора автоматично забезпечується рівність струмів.
Перевага потужних МОП-транзисторів перед біполярними полягає у високій швидкості перемикання (1-10 нс проти 1 мкс у біполярних приладів) і малої потужності, що витрачається на управління.