Полевые (униполярные) транзисторы

ПОЛЕВЫЕ (УНИПОЛЯРНЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

Общие сведения.

       Полевыми или униполярными транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости полупроводника с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. В полевых тран­зисторах область полупроводника, по которой протекает ток, называется каналом.

Принцип работы полевого транзистора можно объяснить следующим образом. Возьмем полупроводник правильной формы пусть п -типа проводимости. В торцах полупроводника сформируем омические контакты и приложим внешнее напряжение V (рис. 8.1). При этом через полупроводник

Рис. 8.1.

 

потечет дрейфовый ток электронов I, определяемый выражением:

,                                      (8.1)

где  - объемное сопротивление области полупроводника, по которой течет ток, т.е. канала, - удельное сопротивление полупроводника, L и S= ad  - длина и поперечное сечение канала, а и d –высота и ширина канала.

        Из (8.1) вытекает, что дополнительное управление током канала можно изменением или поперечного сечения полупроводника S или его удельного сопротивления . На практике реализованы оба способа управления током. Полевые транзисторы, в которых управление потоком основных носителей заряда в канале осуществляется изменением поперечного сечения канала, называются:

       - полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом и

       - полевыми транзисторами с управляющим переходом металл-полупроводник (переходом Шоттки).

       Полевые транзисторы, в которых ток канала управляется изменением удельного сопротивления, называются МДП (МОП) – полевыми транзисторами (М-металл, Д-диэлектрик (окисел), П-полупроводник). МДП-транзисторы бывают со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В транзисторах со встроенным каналом канал создается технологически в процессе изготовления транзистора, а в транзисторе с индуцированным каналом канал возникает (индуцируется) в процессе работы транзистора. Отметим также, что полевые транзисторы в зависимости от типа проводимости канала подразделяются на транзисторы с каналом п -типа и каналом р -типа.

       Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток (И), через который в канал втекают основные носители тока, сток (С), через который они вытекают из канала, и затвор (З), предназначенный для регулирования потоком носителей тока канала. МДП-транзисторы имеют и четвертый вывод – вывод подложки (П). Полевые транзисторы в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также то, что ассортимент полевых транзисторов значительно шире, что расширяет области их применения. Так как полевые транзисторы работают только с основными носителями заряда, то они более температуростойкие, имеют низкий уровень шумов. Большое значение имеет также высокое входное сопротивление этих транзисторов.

       В таблице 1 приведены условно-графические обозначения полевых

                                                                                   Таблица 1

полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом п -типа
полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом р -типа
МДП полевые транзисторы со встроенным каналом п -типа
МДП полевые транзисторы со встроенным каналом р -типа
МДП полевые транзисторы с индуцированным каналом п -типа
МДП полевые транзисторы с индуцированным каналом р -типа

 

Условно-графические обозначения полевых транзисторов.

 

транзисторов. В обозначениях направление стрелки определяет тип проводимости канала.

       Для изготовления полевых транзисторов, в основном, применяется кремний. В последние годы для создания СВЧ полевых транзисторов широко используется арсенид галлия с затвором на основе перехода металл-полупроводник и гетероструктурные затворы на основе соединений арсенида галлия.

 

МДП–ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Мощные МДП-транзисторы.

     Мощные МДП-транзисторы бывают двух типов, которые отличаются технологией их изготовления. К первому типу относится МДП-транзистор, изготовленный методом двойной диффузии – ДМДП-транзистор, который характеризуется коротким каналом, расположенным горизонтально. Малое сопротивление канала обеспечивается параллельным соединением каналов отдельных структур. На рисунке 11.1 приведена структура такого транзистора.

Для изготовления таких транзисторов, как видно из рисунка, на поверхности высокоомной положки из кремния п типа проводимости методом последовательной двойной диффузией создаются ячейки р-п⁺ типа. Затем формируются выводы МДП затвора и истока, а с нижней стороны подложки – общий вывод стока. Как видно из рисунка, отдельные элементы структуры транзистора расположены вертикально, ток стока течет перпендикулярно к поверхности, а каналы проводимости расположены горизонтально

Похожую же структуру имеют второй тип мощных МДП-транзисторов с V-образным затвором, так называемые VМДП-транзисторы (рис.11.2). В этом случае также на поверхности высокоомной положки кремния п -типа проводимости методом последовательной диффузии создаются слои р-п⁺ типа. Затем методом локального.

 

Рис.11.1. Структура мощного ДМДМ-транзистора.

 

селективного травления в слое р-п⁺ типа вытравливаются канавки, после чего поверхность канавок окисляется (на рис. 11.2 окисные слои заштрихованы). Далее формируются выводы затвора, стока, а на нижней стороне подложки – вывод стока.

Рис.11.2. Структура мощного VМДМ-транзистора.

       Как и в ДМДП-транзистор, в VМДП-транзисторе ток стока протекает перпендикулярно к поверхности, однако каналы проводимости здесь расположены практически вертикально. Кроме того, за счет V-образного затвора каждый элемент структуры содержит по два канала, что позволяет увеличить количество каналов и, тем самым, мощность транзистора.

       ДМДП- и VМДП-транзисторы относятся к полевым транзисторам с индуцированным каналом. Приведенные на рис.11.1 и 11.2 транзисторы имеют канал п -типа проводимости, выпускаются также транзисторы с каналом р -типа проводимости. Физические процессы в ДМДП- и VМДП-транзисторах практически такие же, как и в маломощных МДП-транзисторах (см. раздел 9.2). Так, в отсутствии напряжения на затворе эти транзисторы закрыты – это нормально закрытые приборы. Для отпирания необходимо на затвор подать напряжение выше некоторой пороговой соответствующей полярности, например, для транзистора с каналом п -типа – положительной полярности.

       В рассмотренных мощных МДП-транзисторах реализовано основное требование к мощным транзисторам – уменьшение длины канала и, если соединить все выводы затворов и истоков между собой, то обеспечивается параллельное соединение каналов. Таким образом, сопротивление канала открытого транзистора значительно уменьшается.

Как видно из элементарных структур (выделены штриховой линией на рис 11.1 и 11.2), в мощных МДП-транзисторах наряду с сопротивлением канала на потери мощности открытого транзистора влияют сопротивление высокоомной стоковой п -области, омические сопротивления стока и стока, сопротивления контактов и др. Заметим, что наибольший вклад на потери мощности вносят сопротивление канала и сопротивление высокоомной области стока. При этом, с ростом приложенного к стоку напряжения, сопротивление канала за счет его расширения уменьшается.

Дрейфовой ток стока протекает через высокоомную стоковую п -область, поэтому для обеспечения высоких рабочих напряжений (до нескольких киловольт) в мощных МДП-транзисторах сопротивление стоковой п -области должно быть большим. Но рост этого сопротивления, как было сказано выше, приводит к росту потери мощности транзистора при открытом канале, поэтому нужен оптимальный выбор значения сопротивления дрейфовой области мощного транзистора.

Мощные МДП-транзисторы находят широкое применение в выходных каскадах высококачественных усилителей мощности. Однако для практического применения такие транзисторы наиболее перспективны как мощные электронные ключи, так как они способны коммутировать токи до нескольких десятков ампер и напряжений до киловольт.

 

IGBT-транзисторы

       IGBT-транзистор – это гибридный полупроводниковый прибор, в котором совмещены два способа управления электрическим током, характерных для полевого (управление электрическим полем) и для биполярного (управление электрическим током) транзисторов. Входная цепь   IGBT-транзистора представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом п -типа, что обеспечивает высокое входное сопротивление, а выходная цепь представляет биполярный транзистор.

 Основой построения   IGBT-транзистора является ДМДП-транзистор, структура которого дополняется со стороны стокового вывода слоем полупроводника р -типа. На рисунке 11.5 приведен элемент структуры IGBT-транзистора. Заметим, что применительно к IGBT-транзисторам исток принято называть эмиттером, а сток – коллектором.

 

 

 

Рис.11.5. Структура IGBT-транзистора а) и его эквивалентная схема б).

 

 

          Как видно из структурной схемы, IGBT-транзистор имеет МДП-затвор и два биполярных транзистора структуры п-р-п, образованный на основе слоев п₁, р₁ и п₂, и структуры р-п-р, образованный на основе слоев р₁, п₂ и р₂. На рисунке 11.6, б приведена эквивалентная схема IGBT-транзистора. В эквивалентной схеме сопротивление R 1 является базовым сопротивлением транзистора VT2 (слой п ₂), а R 2 – базовым сопротивлением транзистора VT3 (слой р ₁). Биполярный транзистор VT3 в работе IGBT-транзистора обычно играет паразитную роль, так как совместно с транзистором VT2 образует схему диодного тиристора. Как известно, в этой схеме может возникнуть сильная положительная обратная связь, после чего

 

 

                         а)

 

                                                                                            б)                     

Рис.11.6. Условно графическое обозначение а) и эквивалентная схема IGBT-транзистора б).

 

IGBT-транзистор становится неуправляемым и может выйти из строя. Однако современные технологии позволяют надежно защитить IGBT-транзистор от тиристорного эффекта, так что транзистор VT3 можно исключить из эквивалентной схемы. Поэтому, в работе IGBT-транзистора основную роль играет только полевой транзистор VT1 и биполярный транзистор VT2.

       Основным достоинством IGBT-транзистора является значительное уменьшение сопротивления перехода эмиттер-коллектор в открытом состоянии. Это достигается сильной инжекцией дырок из слоя р ₂ (эмиттер транзистора VT2) в слой п ₂, транзистор VT2 насыщается и шунтирует сопротивление R 2. Малое сопротивление перехода эмиттер-коллектор в открытом состояние значительно уменьшает падение напряжения в нем, позволяет работать с большими выходными токами и значительно повышает КПД IGBT-транзистора,.

       Кроме того, IGBT-транзисторы характеризуются высокими значениями крутизны управляющей характеристики, которые могут составлять несколько десятков А/В. IGBT-транзисторы обладают высокой тепловой стойкостью, устойчивы к короткому замыканию нагрузки.

       Выходные вольтамперные характеристики IGBT-транзистора I_K = f (V_КЭ) при V_ЗЭ = const подобны выходным вольтамперным характеристикам биполярного транзистора, а управляющие характеристики I_K = f (V_ЗЭ) при V_КЭ = const подобны управляющим характеристикам полевого транзистора. Отметим, что IGBT-транзисторы могут работать с токами коллектора до сотни ампер, а напряжения V_КЭ могут достигать нескольких киловольт. Пороговое напряжение составляет обычно 5-6 В.

       Условно-графическое обозначение IGBT-транзистора приведена на рис. 11.6, а. Это обозначение подчеркивает гибридность IGBT-транзистора тем, что затвор изображается как в МДП-транзисторах, а выходные электроды эмиттер и коллектор изображены как в биполярном транзисторе.

 

Контрольные вопросы.

       1. Какие проблемы возникают при создании мощных полевых транзисторов и как они решаются?

       2. Как устроены мощные полевые транзистора ДМДП и VМДП типа?

       3. Как работают мощные полевые транзисторы со статической индукцией?

       4. Начертите эквивалентную схему IGBT транзистора и поясните его работу.

       5. Какими достоинствами характеризуются IGBT транзисторы?

 

ПОЛЕВЫЕ (УНИПОЛЯРНЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

Общие сведения.

       Полевыми или униполярными транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости полупроводника с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. В полевых тран­зисторах область полупроводника, по которой протекает ток, называется каналом.

Принцип работы полевого транзистора можно объяснить следующим образом. Возьмем полупроводник правильной формы пусть п -типа проводимости. В торцах полупроводника сформируем омические контакты и приложим внешнее напряжение V (рис. 8.1). При этом через полупроводник

Рис. 8.1.

 

потечет дрейфовый ток электронов I, определяемый выражением:

,                                      (8.1)

где  - объемное сопротивление области полупроводника, по которой течет ток, т.е. канала, - удельное сопротивление полупроводника, L и S= ad  - длина и поперечное сечение канала, а и d –высота и ширина канала.

        Из (8.1) вытекает, что дополнительное управление током канала можно изменением или поперечного сечения полупроводника S или его удельного сопротивления . На практике реализованы оба способа управления током. Полевые транзисторы, в которых управление потоком основных носителей заряда в канале осуществляется изменением поперечного сечения канала, называются:

       - полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом и

       - полевыми транзисторами с управляющим переходом металл-полупроводник (переходом Шоттки).

       Полевые транзисторы, в которых ток канала управляется изменением удельного сопротивления, называются МДП (МОП) – полевыми транзисторами (М-металл, Д-диэлектрик (окисел), П-полупроводник). МДП-транзисторы бывают со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В транзисторах со встроенным каналом канал создается технологически в процессе изготовления транзистора, а в транзисторе с индуцированным каналом канал возникает (индуцируется) в процессе работы транзистора. Отметим также, что полевые транзисторы в зависимости от типа проводимости канала подразделяются на транзисторы с каналом п -типа и каналом р -типа.

       Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток (И), через который в канал втекают основные носители тока, сток (С), через который они вытекают из канала, и затвор (З), предназначенный для регулирования потоком носителей тока канала. МДП-транзисторы имеют и четвертый вывод – вывод подложки (П). Полевые транзисторы в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также то, что ассортимент полевых транзисторов значительно шире, что расширяет области их применения. Так как полевые транзисторы работают только с основными носителями заряда, то они более температуростойкие, имеют низкий уровень шумов. Большое значение имеет также высокое входное сопротивление этих транзисторов.

       В таблице 1 приведены условно-графические обозначения полевых

                                                                                   Таблица 1

полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом п -типа
полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом р -типа
МДП полевые транзисторы со встроенным каналом п -типа
МДП полевые транзисторы со встроенным каналом р -типа
МДП полевые транзисторы с индуцированным каналом п -типа
МДП полевые транзисторы с индуцированным каналом р -типа

 

Условно-графические обозначения полевых транзисторов.

 

транзисторов. В обозначениях направление стрелки определяет тип проводимости канала.

       Для изготовления полевых транзисторов, в основном, применяется кремний. В последние годы для создания СВЧ полевых транзисторов широко используется арсенид галлия с затвором на основе перехода металл-полупроводник и гетероструктурные затворы на основе соединений арсенида галлия.