Транзистори з ізольованим затвором

4.2.1 МДН - транзистори

В транзисторах стуктури «метал- діелектрик (окисел) – напівпровідник» вхідне коло та вихідне майже гальванічно розв’язані, оскільки канал, канал ізольований від затвору діелектриком, і статичному стані транзистор не споживає вхідний струм. Крім того, високий вхідний опір цих приладів дозволяє використовувати для них драйвери цифрової схемотехніки. Однак, для швидкого вмикання, необхідно заряджати вхідну ємність затвор-канал, для чого генерується струм із крутими фронтами.

Структура активної області каналу МДН – транзистору з р - каналом зображена на рис. 4.5. Провідність індукованого каналу визначається зарядом дірок в інверсному шарі , який індукується негативною напругою затвора, що перевищує граничне значення, тобто напругою, що відповідає різниці . Розглядаючи структуру затвор - ізолюючий шар ­ напівпровідник як плаский конденсатор, можемо знайти індукований заряд дірок у каналі .

Провідність каналу чисельно дорівнює заряду рухливих носіїв, що доводяться на одиницю довжини каналу , помноженому на рухливість носіїв , тобто

 

,

де постійний коефіцієнт, що залежить від геометричних розмірів і матеріалу діелектрика;

ширина каналу;

товщина діелектрика.

У робочому режимі, коли , каналом тече струм, (він створюється дірками, що дрейфують від витоку до стоку), тому напруга затвора щодо різних поперечних перерізів каналу виявляється різною, отже, питома провідність і товщина індукованого каналу також виявляються різними: вони більше біля витоку й менше біля стоку. Загальна провідність каналу відповідно зменшується.

При напруга між затвором і стоковою ділянкою каналу стає рівною граничній напрузі , що приводить до різкого звуження індукованого каналу біля стоку.

Коли збіднений шар ( перехід стік-підкладка) торкається ізолюючого шару затвора, це приводить до обмеження, тобто насичення струму каналу. Напруга стоку, за якою збіднений шар замикається з діелектриком затвора у крапці, називається напругою насичення: .

Збільшення негативної напруги на стоку призводить до незначного подовження збідненої області каналу , де виділяється напруга, величина якої виражається різницею напруг , а напруга як і раніше розподіляється на індукованому каналі. При відносно великій напрузі виникає електричний пробій переходу стік-підкладка й струм стоку різко зростає.

Сімейство статичних стокових характеристик МДН- транзистора з індукованим каналом типу наведено на рис. 4.6.

Вид стокових характеристик подібний до характеристик ПТКП, але стік-затворні характеристики відрізняються.

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

б)

Рисунок 4.6 – Статичні характеристики МОНТ: а- вихідна; б - прохідна

 

На рисунку 4.7 наведені діаграми процесу включення ключового МОНТ. У момент часу t₀ надходить імпульс управління (рисунок 4.7, а), напруга на затворі починає зростати. При t₁ вона досягає порогового значення МОНТ (рисунку 4.7, б) і струм стоку починає збільшуватися.

Рисунок 4.7 – Діаграми процесу включення ключового МОНТ

В момент часу t₃ зворотний опір зустрічно-включеного діоду відновлюється, і він почне підтримувати напругу, а струм та напруга стоку почнуть падати. Напруга затвор - витік падає по мірі зменшення зворотного струму шунтуючого діоду. Досягається стан рівноваги, при якому напруга затвора падає зі швидкістю, яка необхідна для того, щоб напруга між виводами затвора та витока задовольняла рівню струму стоку, а в момент t₄ стає постійною на рівні (плато Міллєра), відповідному струму навантаження, в той час, як напруга стоку продовжує падати, швидкість падіння її тепер визначається ефектом Міллєра []. Очевидно, чим нижче вихідний опір джерела керуючого сигналу, тим вище струм розряду ємності сток-затвор, й тим менше буде повний час переключення транзистора. Нарешті, в момент часу t₅ МОНТ включається повністю і напруга затвор - витік швидко росте до величини напруги джерела керуючого сигналу.

Аналогічно можна простежити процес вимикання, при цьому, при переході транзистора в активний режим саме ефект Міллєра визначає швидкість зростання напруги стоку і тримає напругу затвор-витік на рівні, відповідному постійному струму стоку. Чим нижче вихідний опір джерела керуючого сигналу, тим більше струм заряда в ємності сток-затвор і тим швидше наростання напруги стоку.

Необхідно також враховувати негативний вплив паразитних індуктивностей на роботу ключа на МОНТ. Поява паразитних індуктивностей в схемі ключа зумовлена індуктивностями виводів приладу, єднальних та монтажних проводів. В індуктивності у колі стоку при швидкому перериванні струму стока індукується напруга, яка сумується із напругою живлення, та визиває перенапругу на ключовому транзисторі. Вплив паразитних індуктивностей може призвести до появи високочастотних коливань, при яких можливе руйнування приладу.

 

4.4.3 Потужні ПТ

Високовольтні МОНТ являють собою вертикальні структури з V і U канавками або вертикальні МОНТ із подвійною дифузією (DNMOS). Останні дозволяють досягнути більш високих робочих напруг, і тому складають основу складених і функціонально-інтегрованих приладів.

Рисунок 4.8 - Структура вертикального DNMOS

На рис. 4.8 наведена структура вертикального DNMOS транзистора. Показаний напрямок струму і області напівпровідника, що складають опір транзистора у відкритому стані. Область I - керуємий опір каналу (Rк), II - опір збагаченого шару (Rос), III - опір паразитного польового транзистора із керуючим p-n переходом (Rпар), IV - опір дрейфової області (Rдр).

 

 

У низьковольтних приладах визначальним є опір каналу Rк, у високовольтних (r> 1 Ом/см) домінуючим стає опір дрейфової області (Rдр). Із збільшенням робочих напруг, зростає товщина дрейфової області, а отже, і величина Rдр. Зв'язок між Rдр і пробивною напругою (Uпр), описується наближеною формулою:

 

Rдр» k·Uпр^2,5

 

Для робочих напруг більше 1000 В МОНТ мають неприпустимо великий опір Rдр, що веде до значних статичних втрат. Зменшення цього опору за рахунок збільшення площі кристалу стає економічно невигідним, оскільки веде до високої вартості приладів. Фірмою Siemens запропонований варіант структури CoolMOS, де дрейфова область обмежена бічними караманами p – типу, що дозволяє зменшити опір у відкритому стані до десятків (одиниць) мОм []. Для порівняння на рисунку 4.9 наведені структури DNMOS та CoolMOS.

 

а) б)

Рисунок 4.9 – Структури МОНТ: а – DNMOS; б – CoolMOS

 

Підвищити якість приладу можна також шляхом розгортання каналу у вертикальному напрямку, шляхом використання технологій траншейного, або втопленого затвору (структури приладів VNMOS та UNMOS наведені на рисунку 4.10).

а б

Рисунок 4.10 – Структури МОНТ: а – VNMOS; б – UNMOS

Час вмикання і вимикання, й пов'язані з ними динамічні втрати МОНТ визначається власними ємностями і параметрами кіл управління та навантаження. Чим менші ці тривалості, тим менші втрати, однак, швидка зміна вихідної напруги призводить до великих перенапруг в наслідок наявності паразитних індуктивностей в самому приладі і у зовнішньому колі та, можливо, до несанкціонованого вмикання приладу. Це вимагає використання кіл захисту від перенапруг, оптимізації швидкості процесу перемикання та схемотехніки ключа.

МОНТ із вбудованим зворотнім діодом Шотткі (виготавліваються фірмою International Rectifier під торговою маркою FETKY з 1996) - це основний компонент синхроних випрямлячів. На відміну від звичайного МОНТ, зворотній діод якого має значні пряме падіння напруги та часи перемикання (він утворюється на переході стік – підложка/витік), використання діода Шотткі дозволяє будувати силові випрямлячі із частотою перетворення в сотні кГц та вище. Нижче наведно частину довідкової інформації [] на МОНТ із діодом Шотткі.

 

Рисунок 4.11 – Основні характеристики, схема підключення та параметри

МОНТ із дідом Шотткі

 

Транзистори зі статичною індукцією (СІТ, SIT) - різновид польового транзистора із керуючим p-n - переходом і вертикальним каналом (рис. 4.12). Особливість таких приладів - дуже мала довжина каналу. Для потужного СІТ за наявності нормально вимикаємої структури, можливий режим роботи біполярного транзистора (БСІТ, BSIT), внаслідок інжекції дірок із затвору при прямих струмах. Отже, падіння прямої напруги (напруги насичення) між витоком-стоком незначне (не перевищує 1 В). З іншого боку, внаслідок ефекту накопичування інжектованих дірок відбувається обмеження частоти.

Нормально відкриті СІТ, у порівнянні із нормально закритими, характеризуються більшим опором у відкритому стані, а також значним падінням прямої напруги. Переваги нормально відкритих СІТ, у порівнянні з нормально закритими, полягають у більш високих швидкостях перемикання та у покращеній частотній характеристиці.

Промисловістю використовуються системи ВЧ-індукційного нагрівання потужністю сотні кВт при частотах в сотні кГц. Висока стійкість до радіоактивного випромінювання є перевагою СІТ-приладів, тому СІТ використовуються для перемикання джерел живлення на космічних станціях.

 

Рисунок 4.12 - Структура СІТ

Потужність, частота та ефективність ультразвукових генераторів на потужних СІТ при мінімальній кількості останніх вище, ніж у аналогічних генераторів на кременевих керованих вентилях (SCR), біполярних транзисторах, потужних польових МОНТ чи сполученнях біполярних та польових МОНТ.

На рисунку 4.13 зображені експериментально отримані ВАХ СІТ КП926. Рисунок 4.13, а для області малих напруг на затворі та стоку (відкритий канал), рисунок 4.13, б - для області великих напруг (режим перекритого каналу). Показаний розподіл ВАХ СІТ на область малих струмів (нижче переривчастої лінії) та область великих струмів (вище переривчастої лінії) [].

а) б)

Рисунок 4.13 – ВАХ СІТ: а) - в області малих напруг; б) - великих напруг

 

Вертикальність структури, багатоканальність, малі розміри каналу та затвору транзистора із статичною індукцією (СІТ) [88-90], призводять до підвищення потужності цього приладу. На базі СІТ-структури отримують гібридні транзистори (GAT), тиристори (ТЕК) та інші функціонально-інтегровані прилади з покращеними характеристиками [40,90]. Основною перевагою СІТ є велика крутість (пентодність) характеристик, висока швидкодія, технологічність.

 

ЗАДАЧІ

1. Польовий МОН - транзистор з каналом р - типу працює в режимі збагачення і має наступні параметри: Z=W=50 мкм; L=5 мкм; x_ок=0,1 мкм; U_пор= –1 В; ε_ок=4; μ_р=190 см²∙В^–1∙с^–1.

Визначте значення I_Снас і S_нac, вважаючи, що транзистор працює при напругах U_З= –4 В і U_С= –5 В.

Обчисліть крутизну прохідної характеристики,якщо прилад працює в лінійному режимі при напругах U_З=3 В і U_С= –0,1 В.

РІШЕННЯ:

Струм стоку насичення:

;

Крутизна:

.

Питома ємність

C₀= ε _{а ок} / х_ок=3,54∙10^–8 Ф/см².

Крутизна:

.

 

 

2. Польовий транзистор з керуючим р-n- переходом і каналом n -типу має наступні параметри: N_d=4∙10¹⁵ см^–3; N_a=10¹⁸ см^–3; а=1 мкм; L=10 мкм; Z=400 мкм.

Обчисліть товщину каналу (2а–2h).

Обчисліть напругу насичення Uс_нас при заземленому витоку і напрузі

U_З=–1 В.

Вихідні дані:

ε_п=12; μ_n=1350 см²∙В^–1∙с^–1.

РІШЕННЯ:

U₀=U_T∙∙ln

.

Товщина каналу 2a–2h=0,974 мкм.

3. Ідеальний МОН - конденсатор має шар оксиду SiO₂ товщиною 0,1мкм і підшарок з кремнію р -типу з концентрацією акцепторів 10¹⁶см^–3. Обчисліть порогову напругу.

Початкові дані: ε_ок=4; ε_п=12; n_i=1,5∙10¹⁰ см^-3.

РІШЕННЯ:

U_nop=2U_F–Q_B/C₀,

ємність, обумовлена діелектриком:

C₀=4∙8,85∙10^–4/10^–5=35,4nФ/см²=3,54∙10^–8Ф/см²;

заряд в збідненій області:

Q_В = –(4qε_апN_aU_F)^1/2 = –4,72∙10^-8Кл/см²,

Звідси порогова напруга:

 

4. Є ідеальний МОН - конденсатор з кремнієвим підшарком р -типу і концентрацією N_a=10¹⁵ см^–3. Діелектричний шар SiO₂ має товщину 100 нм.

Обчисліть ємність, обумовлену діелектриком, заряд в збідненій області (Q_ss = Q_В) та порогову напругу.

РІШЕННЯ:

U_F=U_T∙ln(N_a/n_i)=0,026∙ln(10¹⁵/1,5∙10¹⁰)=0,29 В;

Максимальна товщина збідненої області:

W_max =2 ;

Ємність, обумовлена діелектриком

C₀=ε_{а ок}/х_ок=8,85∙10^–14∙4/10^–7=3,45∙10^–8 Ф/см²;

Заряд в збідненій області

Q_В=Q_s=qN_aW_max=–1,6∙10^–19∙10¹⁵∙0,87∙10^–4=1,39∙10^–8 Ф/см²;

Звідси порогова напруга:

U_nop=2U_F–Q_s/C₀ =2 ∙0,29+1,39∙10^–8/3,45∙10^–8=0,98 В.

 

 

Контрольні питання

1. Структури польових транзисторів.

2. Загальні відомості про польові транзистори.

3. Режими роботи та ВАХ ПТКП.

4. Структури ПТКП.

5. Параметри польових транзисторів.

6. Фізичні процеси в ПТКП.

7. Режими роботи та ВАХ МОНТ.

8. Потужні МОНТ.

9. Шляхи покрашення параметрів потужних МОНТ.

10. СІТ - відмінності від ПТКП.

 

 

Питання до самостійної роботи

1. Еволюція польових приладів.

2. Види МДН транзисторів.

3. Особливості потужних польових транзисторів (ПТ).

4. Основні схеми включення польових транзисторів.

5. СІТ – області застосування.

6. Еквівалентна схема ПТ.

7. МОН- транзистори з вбудованим каналом.

8. Вплив температури на роботу ПТ.

9. Аналіз переваг та недоліків ПТ, порівняння із БТ.

10. Області застосування ПТ.

ТЕСТИ

1. Які прилади можна віднести до польових (уніполярних)?

а) тиристор;

б) БТ;

в) ПТКП;

г) всі прилади, що керуються полем;

д) прилади, що керується струмом.

 

2. Чим відділяється канал польового транзистора з керованим переходом від керуючого електроду?

а) шаром діелектрика;

б) шаром металу;

в) шаром напівпровідника з іншим по відношенню до канала типом провідності.

г) зворотно зміщеним р-n переходом;

д) канал і затвор не відділені один від одного.

 

3. Чим відділяється канал МОНТ від затвору?

а) шаром діелектрика;

б) шаром металу;

в) шаром напівпровідника з іншим по відношенню до каналу типом провідності.

г) зворотно зміщеним р-n переходом;

д) канал і затвор не відділені один від одного.

 

4. Який характер вихідної характеристики СІТ?

а) вона має тріодний характер;

б) нагадують характеристики ПТКП;

в) нагадують характеристики БТ;

г) має пентодний характер;

д) нагадують характеристики діоду;

 

5. Яка підкладка використовується для кремнієвого МДН транзистора з вбудованим каналом n типу?

а) пластина кремнію n типу;

б) пластина кремнію р типу;

в) пластина германію з власною провідністю;

г) діелектрична пластина;

д) пластина германію n – типу;

 

6. Який польовий транзистор називають нормально зачиненим приладом?

а) польовий транзистор з керованим p-n переходом;

б) МДН транзистор з вбудованим каналом;

в) МДН транзистор з індукованим каналом;

г) як польовий транзистор з керованим p-n переходом, так і МДН транзистор з вбудованим каналом;

д) SIT – транзистор;

 

7. Знайдіть стоко-затворну (передаточну) характеристику польового транзистора з вбудованим каналом р-типу серед запропонованих характеристик.

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4; д) 5; є) 6

 

8. За якими характеристиками розраховують статичні параметри МОН – транзисторів?

а) за осцілограмами;

б) за вхідними ВАХ;

в) за вихідними та вхідними ВАХ;

г) за прохідними ВАХ;

д) за вихідними та прохідними ВАХ;

 

9. Що таке ефект Міллєра?

а) статичний негативний зворотний зв'язок;

б) динамічний негативний зворотний зв'язок;

в) вплив паразитних індуктивностей;

г) збільшення вихідної ємності МОНТ;

д) динамічний позитивний зворотний зв'язок.

 

10. В якому польовому транзисторі можливе відкриття переходу затвор-канал?

а) SIT;

б) DNMOS;

в) BSIT;

г) ПТКП;

д) FETKY.