Полевые транзисторы

Размещено на http://allbest.ru

Полевые транзисторы

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется электрическим полем, вызывающим изменение сопротивления полупроводникового слоя, проводящего ток. Полевые транзисторы часто называют униполярными, так как ток в них переносится носителями одного знака (основными носителями).

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим n-p - переходом (ПТУП) и с изолированным затвором ПТИЗ (МДП -транзисторы, представляющие собой структуру металл -- диэлектрик -- полупроводник). МДП -транзисторы, в свою очередь, делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Устройство и принцип действия полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

При изготовлении полевого транзистора с n-p -переходом (рис. 3.1) на каждую из боковых граней пластин n- или p -полупроводника наносится слой материала с противоположным типом проводимости.

Эти слои образуют в месте контакта с пластиной односторонние n-p -переходы. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний вывод через омический контакт, с помощью которого к n-p -переходу подводится напряжение. Этот электрод называется затвором (З).

Торцы пластины снабжены электродами, имеющими омические контакты, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь. К этим электродам подключается источник постоянного напряжения U_си.

Электрод, от которого под действием напряжения U_си движутся носители зарядов, называется истоком ( И); электрод, собирающий носители зарядов, называется стоком (С). При включении в схему сток и исток можно менять местами. Такое включение называется инверсным. Объем, заключенный между n-p-переходами, называется каналом. Условные обозначения транзисторов с каналами n- и p- типа приведены на рис. 5.2,а и б соответственно.

Положим, что исходная пластина изготовлена из полупроводника p- типа. В этом случае сток подключается к отрицательному полюсу источника ЭДС, а исток - к положительному.

Если к затвору полевого транзистора приложить положительное по отношению к истоку и являющееся обратным для n-p -перехода напряжение U_зи то толщина обедненного слоя n-p-перехода увеличится, а сечение канала уменьшится. Следовательно, меняя напряжение U_зи, можно изменять электрическое сопротивление канала. В результате будет меняться ток I_с, протекающий в цепи исток -- сток под действием приложенного к стоку напряжения U_cи. Если исток и сток заземлены, то сечение канала на всем его протяжении будет одинаковым, так как обратное смещение n-p-переходов постоянно и равно U_зи. При достаточно большом положительном смещении на затворе обедненный слой переходов займет весь канал. Для того чтобы толщина обедненного слоя изменялась, главным образом, в сторону канала, область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластине. Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{зи отс}.

Приложение напряжения U_cи меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока -- U_cи. Напряжение на n-p-переходе вблизи истока будет равно U_зи, а вблизи стока -- U_зи + РU_cиР. Область обедненного слоя у стокового конца расширяется.

В цепи затвора протекает малый ток обратносмещенного n-p-перехода I_з. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока низкой частоты может быть очень малой(сопротивление большое).

МДП - транзистор с индуцированным каналом

В МДП - транзисторах затвор и канал изолированы пленкой диэлектрика. Каналом является тонкий слой на поверхности пластины (подложки) с противоположным типом проводимости. Затвор представляет собой тонкую пленку алюминия, нанесенную на поверхность окисла кремния. Исток и сток выполнены в виде сильно легированных p -областей в пластине кремния n-типа.

.

Если напряжение на затворе отсутствует, то сопротивление между истоком и стоком, определяемое двумя включенными встречно n-p -переходами в местах контакта n-подложки и p -областей, очень велико. Возникновение канала основано на так называемом эффекте поля, т.е. изменении концентрации носителей в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.

При подаче на затвор отрицательного по отношению к истоку напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое вытягивает из n-подложки дырки, увеличивая их концентрацию в тонком приповерхностном слое и изменяет тип его проводимости на противоположный.

Этот тонкий слой p -типа называется индуцированным или наведенным слоем. Он образует проводящий канал, соединяющий p -области истока и стока. При увеличении отрицательного напряжения затвора толщина p -слоя и его проводимость возрастают. Таким образом можно управлять током стока транзистора. Напряжение затвора, при котором в приборе формируется канал, называется пороговым напряжением U_{зи пор}.

Если при РU_зиР > РU_{зи пор}| подать отрицательное напряжение на сток, то в канале появится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение дырок от истока к стоку. При изменении напряжения U_си будет меняться дрейфовая скорость движения дырок в канале, а следовательно, и ток I_с. Величина порогового напряжения у транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах от 1 до 6 В. Условные обозначения МДП -транзисторов с индуцированным каналом n- и p -типа показаны на рис. 3.3,б и в соответственно.

Величина тока в цепи затвора транзистора очень мала, так как сопротивление изоляции между затвором и каналом достигает 10¹⁵ Ом.

МДП -транзистор со встроенным каналом

В таких МДП -транзисторах канал на этапе изготовления образуется тонким слоем полупроводника, нанесенного на подложку и имеющего противоположный по отношению к ней тип проводимости. Эти транзисторы отличаются от транзисторов с индуцированным каналом тем, что могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении на затворе. Рассмотрим включение МДП -транзистора с общим истоком (рис. 3.4).,

Если электрическое поле, создаваемое затвором удаляет дырки из канала, увеличивая его сопротивление, то такой режим называется режимом обеднения (рис. 3.4,а). Если электрически поле втягивает дырки в канал, обогащая его носителями и уменьшая сопротивление, то такой режим называется режимом обогащения (рис. 3.4,6). Под действием разности потенциалов между стоком и истоком дырки дрейфуют в канале, образуя ток стока.

На рис. 3.4,а и 3.4,6 пунктирными линиями показан запирающий слой p-n -перехода, образующийся на границе подложки с p -областями и каналом. Разность потенциалов на переходе меняется от нуля у истока до -U_cu у стока, и весь переход находится под обратным напряжением. Поэтому ток в цепи затвор -- исток очень мал. Условные обозначения МДП -транзисторов со встроенным каналом n- и p -типа приведены на рис. 3.4,в и г соответственно.

Характеристики полевых транзисторов

Полный набор разновидностей полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис.3.5.

Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом p-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики

ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I_с.нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_пор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_с.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется, и ток стока снижается.

На рис. 3.6 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов.

Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения -- как усилительный элемент.

ВАХ полевого транзистора (математическая модель)

Транзистор с управляющим n-p -переходом. Поведение выходных характеристик в начальной области можно описать выражением

I_c=[2(U_зи- U_{зи отс}) U_си- U²_си] (3.1)

Здесь I_{c нас} -- начальный ток стока при U_зи = 0; U_{зи отс} -- напряжение отсечки; U_зи -- текущее напряжение на затворе, которое является параметром для данного семейства; U_си -- текущее напряжение на стоке.

В области насыщения выходные характеристики описываются приближенным выражением

I_с= I_{с нас}(1-)² (3.2)

Транзистор с изолированным затвором. Для транзистора с индуцированным каналом зависимость тока стока от напряжения на начальном участке выходных ВАХ может быть описана как

I_c=S_уд[(|U_зи|-|U_{зи пор}|)|U_си|-] , (3.3)

где S_уд -- удельная крутизна, зависящая от конструкции транзистора, материала и размеров проводящего канала:

S_уд = .

Продифференцировав (3.3) по переменной U_си и приравняв производную нулю, получим

|U_{си нас}|=|U_зи|-|U_{зи пор}|. (3.4)

Подставив U_{си нас} в (3.3), получим выражение для тока в области насыщения:

I_c= [(|U_зи|-|U_{зи пор}|)². (3.5)

Характеристики транзистора со встроенным каналом аналитически с достаточной точностью описываются выражениями (3.1) и (3.2), если в этих формулах под напряжением отсечки и_{зи отс} понимать напряжение, при котором встроенный канал перекрывается.

Дифференциальные параметры полевого транзистора

Полевой транзистор, как и биполярный, можно представить в виде активного четырехполюсника и при работе с сигналами малых амплитуд характеризовать его дифференциальными параметрами.

На практике в качестве дифференциальных параметров используют у-параметры, в частности на низкой частоте:

1) крутизну стокозатворной ВАХ полевого транзистора

g₂₁=S=|u_св=const (3.6)

2) входную проводимость полевого транзистора

g₁₁=|u_зв=const

на низких частотах близкую к нулю;

3) выходную проводимость

g₂₂=|u_зв=const (3.7)

Часто при расчетах схем на полевых транзисторах используют выходное сопротивление R_i = l/g₂₂, которое для области насыщения у маломощных транзисторов равно 10…100 КОм. Кроме того, полевой транзистор можно характеризовать статическим коэффициентом усиления

µ=-SR_i=- | I_c=const (3.8)

Здесь знак минус означает, что для сохранения неизменной величины тока стока при определении µ знаки приращений напряжений U_си и U_зи должны быть разными

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)

полевой транзистор затвор

БТИЗ выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n-p-n-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 3.7 а. На этой схеме VT-- полевой транзистор с изолированным затвором, T1 -- паразитный биполярный транзистор, -- последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ -- сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора T1. Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис.3.7 6, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала .

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним p-n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 3.7 в) появляется еще один p-n-p-транзистор T2.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т1 и Т2 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 T2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют значения и соответственно, найдем и . Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

(3.9)

Поскольку ток стока I_с ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжение на затворе определим ток IGBT транзистора

, (3.10)

где -- эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Очевидно, что при эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения и можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. 3.7 г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 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 T2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 3.8. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 3.8 б приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности импульса 10 мкс.

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

Библиографический список

1.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов.- 3-еизд.,перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991.- 592с.: ил.

2.Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И.Волощенко, Ю.Ю.Мартюшев, И.Н.Никитина и др.; Под ред. Г.Д.Петрухина.-М.:Изд-во МАИ, 1993.-416 сю: ил.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил.

4. Алексенко А.Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990.- 496 с.: ил.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ.- 4-е изд. Перераб. и доп.- М.: Мир,1993.- ил.

Размещено на Allbest.ru