Интегральные схемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Методы изготовления интегральных микросхем

2. Пентоды и их конструкции

3. Принцип работы МДП транзистора со встроенным каналом

Список использованной литературы

1. Методы изготовления интегральных микросхем

интегральный микросхема пентода

При изготовлении интегральных схем используется групповой метод производства и в основном планарная технология. Групповой метод производства предполагает изготовление на одной полупроводниковой пластине большого количества однотипных ИС и одновременную обработку десятков таких пластин.

Технология изготовления полупроводниковых микросхем.

В зависимости от разновидности полупроводниковой технологии (локализация и литография, вакуумное напыление и гальваническое осаждение, эпитаксия, диффузия, легирование и травление) получают области с различной проводимостью, которые эквивалентны емкости, либо активным сопротивлениям, либо различным полупроводниковым приборам. Изменяя концентрацию примесей, можно получить в кристалле многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую схему. В настоящее время применяют групповые способы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющие за один технологический цикл получить несколько сотен заготовок микросхем. Наибольшее распространение получил групповой планарный способ, заключающийся в том, что элементы микросхем (конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы) располагаются в одной плоскости или на одной стороне подложки.

Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых микросхем (термическое оксидирование, литография, эпитаксия, диффузия и ионное легирование).

Перенос изображений с помощью негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов: 1 - основа фотошаблона, 2 - непрозрачные участки рисунка фотошаблона, 3 - фоторезистивный слой, 4 - подложка

Термическое оксидирование мало чем отличается от типовых технологических процессов, известных при производстве полупроводниковых приборов. В технологии кремниевых полупроводниковых микросхем оксидные слои служат для изоляции отдельных участков полупроводникового кристалла (элементов, микросхемы) при последующих технологических процессах. Литография является самым универсальным способом получения изображения элементов микросхемы на кристалле полупроводника и делится на три вида: оптическая, рентгеновская и электронная. В производстве полупроводниковых интегральных микросхем самый универсальный технологический процесс - это оптическая литография или фотолитография. Сущность процесса фотолитографии основана на использовании фотохимических явлений, происходящих в светочувствительных покрытиях (фоторезистах) при экспонировании их через маску.

Фотолитография может производиться бесконтактным и контактным способами. Бесконтактная фотолитография по сравнению с контактной дает более высокую степень интеграции более высокие требования к фотооборудованию.

Процесс получения рисунка микросхемы фотолитографическим способом сопровождается рядом контрольных операций, предусмотренных соответствующими картами технологического контроля. Рентгеновская литография позволяет получить более высокую разрешающую способность (большую степень интеграции), так как длина волны рентгеновских лучей короче, чем световых. Однако рентгенолитография требует более сложного технологического оборудования. Электронная литография (электронно-лучевое экспонирование) выполняется в специальных вакуумных установках, и позволяют получить высокое качество рисунка микросхемы. Этот вид литографии легко автоматизируется и имеет ряд преимуществ при получении больших интегральных микросхем с большим (более 105) числом элементов. В настоящее время полупроводниковые элементы и компоненты микросхем получают тремя методами: эпитаксии, термической диффузии и ионного легирования.

Эпитаксия - процесс выращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия кристалла подложки. Ориентировано выраженные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическую решетку подложки, называют эпитаксиальными слоями. Эпитаксиальные слои на кристалле выращивают в вакууме. Процессы эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксию можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность кристалла подложки и миграция их по поверхности; начало группирования частиц вещества около поверхностных центров кристаллизации и образование зародышей слоя; рост отдельных зародышей до их слияния и образования сплошного слоя. Эпитаксиальные процессы могут быть очень разнообразными. В зависимости от используемого материала (полупроводниковой пластины и легирующих элементов) с помощью процесса эпитаксии можно получить однородные (мало отличающиеся) по химическому составу электронно - дырочные переходы, а также однослойные и многослойные структуры наращивания слоев различных типов проводимости. Этим методом можно получить сложные сочетания: полупроводник - полупроводник; полупроводник - диэлектрик; полупроводник - металл. В настоящее время наиболее широко применяют избирательный локальный эпитаксиальный рост с использованием Si02 - контактных масок с эпитаксиально-планарной технологией.

Для получения заданных параметров эпитаксиальных слоев осуществляют контроль и регулировку толщины, удельного сопротивления, распределения концентрации примеси по толщине слоя и плотности дефектов. Эти параметры слоев определяют пробивные напряжения и обратные токи р-с-переходов, сопротивления насыщения транзисторов, внутреннее сопротивление и вольт-фарадные характеристики структур.

Термическая диффузия - это явление направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации, которое определяется градиентом концентрации. Термическую диффузию широко используют для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения элементов микросхемы противоположного по сравнению с исходным материалом типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением. В первом случае получают, например, эмиттеры, во втором - коллекторы. Диффузию, как правило, проводят в специальных кварцевых ампулах при 1000--1350° С. Способ проведения диффузии и диффузант (примесь) выбирают в зависимости от свойств полупроводника и требований, предъявляемых к параметрам диффузионных структур. Процесс диффузии предъявляет высокие требования к оборудованию и частоте легирующих примесей и обеспечивает получение слоев с высокой точностью воспроизведения параметров и толщин. Свойства диффузионных слоев тщательно контролируют, обращая внимание на глубину залегания р-с-перехода, поверхностное сопротивление или поверхностную концентрацию примеси, распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя и плотность дефектов диффузионного слоя. Дефекты диффузионных слоев (эрозию) проверяют с помощью микроскопа с большим увеличением (до 200х) или электрорадиографии.

Ионное легирование - также получило широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плоскостью переходов, солнечных батарей и др. Процесс ионного легирования определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину на вакуумной установке с дуговым разрядом внедряют ионы, а затем проводят отжиг при высокой температуре, в результате чего восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Метод получения полупроводниковых элементов наиболее перспективен при изготовлении различных СВЧ-структур. Самым распространенным методом получения элементов в микросхеме (разделения участков микросхемы) является изоляция оксидной пленкой, получаемой в результате термообработки поверхности кристалла (подложки). Чтобы получить изолирующие р-с-переходы на подложке кремниевой пластины, ее обрабатывают в течение нескольких часов в окислительной среде при 1000 - 1200° С. Под действием окислителя эпитаксиальный полупроводниковый поверхностный слой кремния 2 окисляется. Толщина оксидной пленки 3 - несколько десятых долей микрона. Эта пленка препятствует проникновению в глубь кристалла атомов другого вещества. Но если снять пленку с поверхности кристалла в определенных местах, то с помощью диффузии или других рассмотренных выше методов можно ввести в эпитаксиальный слой кремния примеси, создав тем самым участки различной проводимости. После того как на подложке получена оксидная пленка, на подложку наносят светочувствительный слой - фоторезист 4. Далее этот слой используют для получения в нем рисунка фотошаблона 5 в соответствии с топологией микросхемы. Перенос изображения с фотошаблона на окисленную поверхность кремниевой пластины, покрытую слоем фоторезиста, чаще всего производят фотографией, а экспонирование - ультрафиолетовым светом или рентгеном. Затем подложку с экспонированным рисунком проявляют. Те участки, которые освещались, растворяются в кислоте, обнажая поверхность оксида кремния 6. Те же участки, которые не экспонировались, кристаллизуются и становятся нерастворимыми участками 7. Полученную подложку с нанесенной на ней рельефной схемой расположения изолирующих переходов промывают и сушат. После травления незащищенных участков оксида кремния защитный слой фоторезиста удаляют химическим способом. Таким образом, на подложке получают «окна». Такой способ получения рисунка схемы называют позитивным.

Через обнаженные участки 6 подложки методом диффузии вводят примеси атомов бора или фосфора, которые создают изолирующий барьер 8. На полученных изолированных друг от друга участках подложки методом вторичной диффузии, травления, наращивания или другим методом получают активные и пассивные элементы схемы и токопроводящие пленки 9.

Технология получения полупроводниковых интегральных схем состоит из 15 - 20, а иногда и более операций. После того как получены все компоненты схем и пленка оксида вытравлена с тех мест, где будут находиться выводы компонентов, полупроводниковую схему покрывают методом напыления или гальванического осаждения пленкой алюминия. С помощью фотолитографии с последующим травлением получают внутрисхемные соединения. Поскольку в едином технологическом цикле на подложке изготовляют большое количество однотипных интегральных схем, пластины разрезают на отдельные кристаллы, каждый из которых содержит готовую микросхему. Кристаллы приклеивают к держателю корпуса, а электрические контакты микросхемы методом пайки, сварки и термокомпрессии соединяют с выводами проволочными перемычками. Готовые микросхемы при необходимости герметизируют одним из описанных ниже способов.

Промышленность выпускает большую номенклатуру полупроводниковых интегральных микросхем. Например, кремниевые микросхемы с диодно-транзисторными связями предназначены для работы в логических узлах ЭВМ и узлах автоматики; германиевые полупроводниковые микросхемы с непосредственными связями являются универсальными логическими переключающими элементами НЕ - ИЛИ. Дальнейшим развитием технологии производства интегральных микросхем явилось создание схем с большой интеграцией микроэлементов.

В совмещенной интегральной микросхеме элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки комбинированием технологии изготовления полупроводниковых и пленочных микросхем. В монокристалле кремния - подложке методами диффузии, травления и другими получают все активные элементы (диоды, транзисторы и др.), а затем на эту подложку, покрытую плотной пленкой оксида кремния, напыляют пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и токопроводящие проводники. Совмещенную технологию применяют для изготовления микро-мощных и быстродействующих интегральных микросхем. Для получения контактных площадок и выводов микросхемы на подложку осаждают слой алюминия. Подложка со схемой крепится на внутреннем основании корпуса, контактные площадки на монокристалле соединяются проводниками с выводами корпуса микросхемы.

Большая интегральная схема представляет собой сложную полупроводниковую микросхему с высокой степенью интеграций. В последние годы созданы полупроводниковые БИС, имеющие на кристалле кремния размером 1,45x1,6 мм до 1000 и более элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) и выполняющие функции 300 и более отдельных интегральных микросхем. Разработан микропроцессор (микро-ЭВМ), имеющий степень интеграции свыше 107 элементов на кристалле.

Используя несколько навесных структур БИС на диэлектрической подложке с пассивной пленочной частью микросхем, можно получить микросборки (БГИС), которые просты в проектировании и изготовлении. Повышение интеграции микросхем достигается автоматизацией и введением в технологический процесс математического моделирования с машинным проектированием топологии и применением новых методов формирования элементов микросхем (ионное легирование и др.).

Основной цикл проектирования БИС состоит из двух этапов: архитектурно - схемотехнического и конструкторско - технологического. Архитектурно-схемотехнический этап включает разработку архитектуры и структуры микросхемы, функциональных и принципиальных электрических схем, математическое моделирование и другие работы. Конструкторско-технологический этап включает разработку топологии и конструкции микросхемы, технологии ее изготовления, а также их испытания.

Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы на современном уровне представляют последний этап развития классических интегральных микросхем, в которых можно выделить области, эквивалентные пассивным и активным элементам. Дальнейшее развитие элементной базы электроники возможно при использовании различных эффектов и физических явлений в молекулах твердого тела (молекулярная электроника).

2. Пентоды и их конструкции

Пентод - это разновидность вакуумной электронной лампы. Особенностью является наличие специальной сетки для экранирования (отражения). Она расположена между другой сеткой и анодом и необходима для подавления динатронного эффекта. К экранированным лампам относится кроме пентода также тетрод. Рабочая частота усилителя на пентодах может быть до 1ГГц. Он отличается тем, что у него отсутствует ниспадающий участок вольт-амперной характеристики.

История изобретения.

В 1906 - 1908 годах Ли де Форест изобрёл первую усилительную лампу - триод. Ошибочно полагая, что проводимость триода обусловлена ионным током газового разряда, изобретатель не пытался создать в баллоне своей лампы глубокий вакуум. Напротив, обнаружив, что его примитивный ртутный вакуумный насос загрязняет баллон парами ртути, Форест переключился на эксперименты с ртутными лампами. Австриец Роберт фон Либен разработал свою конструкцию ртутного триода с оксидным катодом, и в 1913 году довёл мощность триодного радиопередатчика до 12 Вт на волне 600 м. В том же 1913 году патент Фореста приобрела корпорация. Работавший на корпорацию Харолд Арнолд понял, что для стабильной работы «повторителя» необходим высокий вакуум, и в течение года довёл до серийного производства первый практический вакуумный триод - повторитель для телефонных линий.

Лампами называют такие вакуумные электронные приборы, действие которых основывается на управлении потоком электронов только с помощью анода или анода и сеток. Вакуумные электронные лампы предназначены для генерирования и обработки электрических сигналов, в частности их усиления, модуляции, детектирования, преобразования частоты, выпрямления и тому подобное. Они превращают энергию источников питания в энергию выходных сигналов с помощью управления электронным потоком.

Триод оказался пригоден только для работы на звуковых частотах, длинных и средних радиоволнах. Для выхода в коротковолновой диапазон следовало радикально снизить проходную ёмкость лампы. В 1926 году Альберт Халл решил проблему, поставив между управляющей сеткой и анодом триода дополнительную экранирующую сетку. В послевоенные годы пентоды развивались эволюционно. В 1950 - 1952 начался переход от октальных ламп к миниатюрным «пальчиковым» лампам с девятью штырьками. В 1953 они стали стандартом НАТО, к 1958 году практически вся номенклатура массовых приёмно-усилительных ламп была выпущена в новом конструктиве, к 1960 доля металлических ламп с октальным цоколем в СССР снизилась до 20 % от общего выпуска. Новые разработки оптимизировались на достижение максимального КПД, иногда в ущерб линейности.

Последнее поколение радиоламп, сверхминиатюрные нувисторы, было выпущено RCA в 1960 году, но не нашло массового применения за пределами ВПК. В американской нувисторной серии пентодов не было, а в СССР был выпущен пентод-нувистор 6Ж54Н. Был разработан в СССР и свой, уникальный класс ламп - сверхминиатюрные стержневые лампы конструкции В. Н. Авдеева, в которых вместо традиционных витых сеток использовались жёсткие стержни, ориентированные вдоль катодов.

Устройство и характеристики пентодов.

Второй путь создания между экранирующей сеткой и анодом минимума потенциала заключается в помещении между ними дополнительной сетки, на которую подается нулевой или близкий к нулю потенциал. Эта третья сетка, называемая защитной или антидинатронной, превращает лампу в пентод. Наличие защитной сетки полностью устраняет влияние динатронного эффекта на характеристики лампы. Присутствие третьей сетки еще больше повышает внутреннее сопротивление и коэффициент усиления лампы и уменьшает проходную ёмкость. Действующее напряжение пентода определяется следующим выражением:

Так как экранирующая сетка значительно сильнее влияет на анодный ток, чем анод, положение анодно-сеточной характеристики тетродов и пентодов зависит в основном отU_c2. Анодно-сеточные характеристики тетрода или пентода, снятые при различных напряжениях на аноде, будут близко лежать друг возле друга и веерообразно расходится, в отличие от аналогичных характеристик триода, которые при изменении U_a остаются параллельными. Причина этого в том, что увеличение U_a вызывает увеличение коэффициента токораспределения. Кроме того, увеличение анодного тока в тетроде происходит так же за счет вторичной эмиссии с экранирующей сетки. Важное значение имеет тот факт, что в тетродах и пентодах анодно-сеточная характеристика расположена левее, чем в триодах, при том же U_a.

Технические характеристики.

Для пентодов, так же как и для тетродов, основными характеристиками, используемыми для определения их параметров и характеристических расчетов, являются анодные J_a=f(U_a) при различных величинахU_c1 и фиксированном напряжении экранирующей сетки U_c2. К анодным характеристикам пентода предъявляются следующие требования, вытекающие из условий получения наибольшей полезной мощности при неискажённом усилении. Во-первых, для неискаженного усиления необходимо, чтобы кривые J_a=f(U_a) были в своих пологих (рабочих) участках параллельны и эквидистантны, т.е. отстояли друг от друга на одинаковое расстояние при одинаковом ДU_c. Во-вторых, анодные характеристики пентода должны переходить из своего начального крутого участка в пологие рабочие участки при возможно меньшем значении U_а.

Это необходимо для того, чтобы получить большее усиление напряжения и мощности полезного сигнала. Следует отметить, что пологие участки анодных характеристик пентода соответствуют не режиму насыщения, а режиму пространственного заряда, хотя внешний вид кривых J_а=f(U_a) и напоминает переход в режим насыщения. Малый наклон этих участков объясняется очень малым влиянием анодного напряжения в пентоде на анодный ток режиме прямого перехвата. Крутой же участок характеристик определяется резким изменением токораспределения между анодом и экранирующей сеткой.

Виды конструкций.

Варьируя конструкцию и размеры электродов пентода, можно получить лампы с самый разнообразными характеристиками и параметрами, благодаря чему пентод является самой распространённой лампой универсального назначения. Отметим основные особенности различных классов пентодов: высокочастотных, низкочастотных и широкополосных.

В пентодах, предназначенных для усиления высоких частот, должно быть осуществлено хорошее экранирование управлявшей сетки от анода. С этой целью экранирующую сетку делают густой и в лампе помещают специальные экраны для уменьшения ёмкости между выводами анода и управляющей сетки. Благодаря этому проходная ёмкость высокочастотных пентодов может быть уменьшена порядком.

У высокочастотных пентодов, предназначенных для работы в схемах с автоматической регулировкой усиления, управляющая сетка изготавливается с различной густотой намотки (т.е. различной проницаемостью) по её длине. Это приводит к тому, что в анодно-сеточной характеристике такой лампы имеются два участка с различной крутизной и коэффициентом усиления (пентоды с переменной крутизной или удлинённой характеристикой).

Крутизна высокочастотных пентодов лежит в пределах 2-10мА/В. Внутреннее сопротивление достигает нескольких мегом, а коэффициент усиления м - 5000 и более. Анодные характеристики высокочастотных пентодов в рабочей части идут очень полого, почти параллельно U_a.

Широкополосные пентоды, предназначенные для усиления в полосе частот несколько мегагерц или даже несколько десятков мегагерц, должны иметь большую крутизну и малые входную и выходные ёмкости. Необходимые параметры в широкополосных пентодах достигаются, в основном, за счет повышении крутизны до 25-35мА/В. Увеличение крутизны осуществляется за счёт уменьшения расстояния сетка-катод (до 40-50мкм), улучшения токораспределения, для чего экранирующая сетка изготавливается не слишком густой и из проволоки малого диаметра.

В процессе всех измерений необходимо следить за постоянством заданных напряжении на электродах лампы, регулируя их потенциометрами. При значительных отрицательных напряжениях на управляющей сетке, что характерно для приема сильных сигналов, густые участки управляющей сетки запираются. В результате поток электронов от катода к аноду проходит только на том участке, где управляющая сетка более редкая. При этом изменение напряжения на сетке слабо влияет на изменение анодного тока, соответственно крутизна характеристики и коэффициент усиления уменьшаются. Малое расстояние между двумя характеристиками семейства свидетельствует о большом коэффициенте усиления. Помимо этого характеристики не параллельны, то есть параметры лампы не постоянны, а зависят от режима питания.

Применение пентодов.

Пентоды условно можно разделить на несколько групп: приемноусилительные и генераторные пентоды. В свою очередь, приемноусилительные пентоды делятся на низкочастотные и высокочастотные. Среди высокочастотных пентодов особо следует отметить широкополосные лампы. Низкочастотные приемноусилительные пентоды получили широкое распространение в усилителях мощности низкой частоты, где применяются в предварительных и оконечных каскадах. Такие пентоды работают при больших амплитудах сигналов.

Поэтому для получения левой характеристики, не обходимой для работы без сеточных токов, управляющая сетка делается редкой, а напряжение на экранирующей сетке равно анодному. При этом экранирующую сетку также делают редкой, чтобы ток экранирующей сетки не был слишком большим. Для обеспечения достаточно большой выходной мощности низкочастотные пентоды должны надежно работать при больших токах, поэтому их электроды должны рассеивать значительные мощности. Низкочастотные пентоды конструктивно отличаются от высокочастотных отсутствием добавочных экранов, поскольку вредное влияние междуэлектродной емкости на низких частотах незначительно.

Вольт-амперные характеристики.

Анодные вольт-амперные характеристики (ВАХ) маломощных пентодов близки к идеальным: резкий переход из режима возврата в режим перехвата происходит при относительно низких Ua; плоские «полки» ВАХ свидетельствуют о высоком выходном сопротивлении (6Ж32П -- 2.5 МОм в номинальном режиме). Это позволяет строить на пентодах почти совершенные дифференциальные каскады и активные нагрузки (стабильные источники тока). В мощных пентодах выходное сопротивление относительно низкое, а переход в зону перехвата растянут. При малых анодных напряжениях и большом отрицательном смещении управляющей сетки наблюдается «тетродная» нелинейность полки ВАХ.

Качественный анализ ВАХ пентодов показывает, что:

- Выходное сопротивление пентода (в том числе мощного низкочастотного) на практике можно считать бесконечно большим.

- Расчётный коэффициент усиления пентода по напряжению весьма велик (до 5000) - настолько, что его точное значение теряет практический смысл и редко нормируется производителем. Усиление каскада на НЧ определяется не этим коэффициентом, а произведением крутизны лампы на сопротивление нагрузки.

- Мгновенное значения напряжения на аноде пентода может опускаться до значений, намного меньших, чем в триодном каскаде. Поэтому при равном напряжении питания размах напряжения на выходе пентода может быть больше, чем у триода (но меньше чем у лучевого тетрода).

- Спектр гармоник пентода содержит большую, чем в спектре триода, долю нечётных гармоник, и большую долю высших гармоник. В спектре гармоник триода доминирует вторая гармоника, а доля высших гармоник (шестой и выше) пренебрежительно мала.

Нелинейные искажения.

Ухо человека терпимо к чётным гармоникам, но весьма чувствительно к призвукам нечётных гармоник, которые преобладают в спектре искажений пентода. Усилители мощности НЧ на пентодах могут достигнуть приемлемого уровня слышимых искажений только при весьма низком измеряемом КНИ, который достижим только при охвате усилителя глубокой отрицательной обратной связью. Усилители на триодах, напротив, обеспечивают приемлемое качество звучания без использования общей обратной связи. Лучевые тетроды занимают промежуточное положение: им также необходима ООС, но их спектр искажений ближе к триодному.

Удешевление ламп в 1940-е годы изменило конструкторский подход. С использованием глубокой ООС линейность лампы отошла на второй план. Поэтому, например, классический послевоенный пальчиковый пентод EL84 (6П14П) проигрывает по искажениям довоенному лучевому тетроду 6V6, хотя и превосходит его по другим параметрам, в частности, крутизне характеристики, выходной мощности. Лампы локальной серии 1940-х годов, за исключением триода 7AF7, весьма линейны - они имеют и «довоенную» конструкцию электродов, и все преимущества цельностеклянных ламп.

3. Принцип работы МДП транзистора со встроенным каналом

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.

Полевой транзистор с изолированным затвором - это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора, с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП - транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП - транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора - MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП - транзисторы делятся на два типа - со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N-каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P-типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах - в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей).

Главные преимущества полевых транзисторов.

- Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.

- Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.

- Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

- У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов.

- У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.

- Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).

- Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

- При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление.

Список использованной литературы

1. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. - К.: Техника, 1969. - 300 с.

2. Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. - М.: МЭИ, 2008. - 416 с. - ISBN 978-5-383-00224-7.

3. Тауц Я. Фото и термоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Издательство иностранной литературы, 1962, 256 с.

4. Тауц Я. Оптические свойства полупроводников. М.: Мир, 1967, 74 с.

5. Киреев П.С. Физика полупроводников. - М., Высшая школа, 1975. - Тираж 30000 экз. - 584 с.

6. Горелик С.С., Дашевский В.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. - М., Металлургия, 1988. - 574 с.

7. Киселев В.Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. - М., Наука, 1970. - Тираж 7800 экз. - 399 с.

8. Анатычук Л.И., Булат Л.П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. - СПб, Наука, 2001. - Тираж 1500 экз. - 223 с.

Размещено на Allbest.ru