МОП транзисторы. Лекция 4 моптранзисторы
 Скачать 383.13 Kb.
|
|
Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Классификация полевых транзисторов 2. МОП-транзисторы 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 5. Выводы 1. Классификация полевых транзисторов Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей. Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор- исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа. По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: с управляющим p–n-переходом; с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO 2 , поэтому обычно используется название МОП-транзисторы (металл – оксид – полупроводник). Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными. В МОП-транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов. МОП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. По сравнению с другими полупроводниковыми 29 приборами, такими как биполярные транзисторы или тиристоры, они обладают следующими преимуществами: 1. Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении; 2. Малая мощность, затрачиваемая на переключение; 4. Возможность использования хорошо отработанных технологий производства МОП-интегральных схем. Главные области применения мощных МОП-транзистоов – электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнологических установок, источники вторичного электропитания. В таких устройствах используются преимущественно МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться в основном именно такие приборы. 2. МОП-транзисторы МОП-транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 4.1, а. На рис. 4.1, б приведено его условное графическое обозначение. Подложкой служит (кристалл кремния p-типа. У МОП-транзисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0.002–0.05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния n-типа. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены + n Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n- перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 4.2), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным. С увеличением положительного напряжения затвор-исток зи U растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость. 30 а б Рис. 4.1 p Е с и И С З 31 Рис. 4.2 Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения зи U , так и от напряжения сток-исток си U . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают 0 U . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 – 4 В. Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности 0 зи U U − Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения 0 зи нас U U U − = , транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно зи U , а в окрестности стока – разности си зи U U − . Поэтому при увеличении напряжения си U сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях си U , превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению 0 зи U U > соответствует свое значение напряжения насыщения. Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис. 4.4. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 4.3 пунктиром. В режиме отсечки 0 , с 0 зи = < I U U . Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению 0 зи U U = Рис. 4.3 32 В линейном (триодном) режиме 0 зи U U > , а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения 0 зи нас си U U U U − = ≤ Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением ( ) [ ] 2 си си 0 зи с 5 0 U U U U b I − − = (4.1) Здесь b – удельная крутизна МОП-транзистора: L W C b 0 µ = (4.2) В (4.2) µ – приповерхностная подвижность носителей, 0 C – удельная емкость затвор-канал, L – длина, W – ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, квадратичным слагаемым в (4.1) можно пренебречь. В этом случае мы получаем линейную зависимость: ( ) си 0 зи с U U U b I − = Величину ( ) 0 зи U U b − называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала: ( ) 0 1 U U b R зи си − = Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если 0 зи U U < , сопротивление канала практически бесконечно. С увеличением зи U сопротивление уменьшается. Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда 0 зи U U > , а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения 0 зи нас си U U U U − = ≥ В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения си U . Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток. 33 Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа. Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 4.4. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение 0 U Рис. 4.4 Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением ( ) 2 0 2 1 U U b I зи с − = (4.3) Удельная крутизна характеристики МОП-транзистора определяется выражением (4.2). МОП-транзисторы с встроенным каналом. Структура МОП- транзистора с встроенным каналом n-типа показана на рис. 4.5, а. На рис. 4.5, б приведено его условное графическое обозначение. Подложка (кристалл кремния p-типа) служит для создания на ней канала n-типа. При подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения зи U . Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения зи U канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают отс U 34 а б Рис. 4.5 Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным нач с I . Если 0 зи > U , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения. Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении зи U . Выходные характеристики МОП- транзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис. 4.6. Сток Сток (кремний) Подложка (кремний) Канал (кремний) Затвор Диэлектрик (SiO 2 ) Исток (кремний) Исток Подложка n + n + p 35 Рис. 4.6 Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом показана на рис. 4.7. Рис. 4.7 Начальное значение тока стока МОП-транзистора с встроенным каналом определяется выражением 2 0 0 U L W C I нач c µ = Здесь µ – приповерхностная подвижность носителей, 0 C – удельная емкость затвор-канал. Длина канала L равна расстоянию между областями стока и истока, а ширина W – протяженности этих областей. U зи = 1 В U зи = 0 В U зи = –0.5 В U зи = –1 В U зи = –2 В U зи U отс I с нач 36 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов Силовые МОП-транзисторы появились в результате развития интегральных МОП-технологий. Необходимость разработки таких приборов мотивировалась тем, что мощные биполярные транзисторы требуют больших управляющих токов, а также имеют ограниченное быстродействие. Структура маломощных МОП-транзисторов, рассмотренная выше, непригодна для устройств силовой электроники. Ток стока МОП- транзистора, работающего в режиме насыщения, определяется формулой (4.3). Для увеличения тока необходимо увеличить отношение L W . Однако уменьшение длины канала L приводит к снижению напряжения пробоя. Поэтому горизонтальная структура на рис. 4.1 не подходит для силовых приборов, где напряжения сток-исток могут достигать сотен вольт. Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру (рис. 4.8). Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов. Прибор содержит слаболегированную − n - область, обеспечивающую высокое напряжение между стоком и истоком. Рис. 4.8 Если напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение 0 U , под слоем диэлектрика в p-областях возникает горизонтальный проводящий канал. Его длина равна L (рис. 4.8) Поток электронов через образовавшийся канал и − n - слой попадает в область стока. Направление потока электронов показано на рис. 4.8 пунктиром Длина канала L в МОП-транзисторе такой конструкции составляет 1-2 мкм. В то же время напряжение пробоя между стоком и истоком может достигать сотен вольт, а ток истока – десятков ампер. Это объясняется тем, что область объемного заряда расположена главным образом в слаболегированной области стока и не влияет на канал. Максимальное напряжение сток-исток зависит от степени легирования − n - слоя и его толщины. 37 Структура мощных МОП-транзисторов существенно отличается от структуры малосигнальных транзисторов. В то же время характеристики приборов похожи. Пороговое напряжение мощных МОП-транзисторов составляет от 2 до 4 В. В режиме насыщения связь между током стока и напряжением затвор-исток определяется равенством (4.3). Однако при больших значениях напряжения зи U передаточная характеристика становится почти линейной. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения сток-исток напряженность электрического поля в канале достигает критического значения, и скорость носителей заряда перестает расти (эффект насыщения скорости). В линейной области передаточной характеристики ток стока определяется выражением ( ) 0 зи на 0 2 1 U U WV C I с c − = Здесь с V на – скорость насыщения носителей. Для электронов и дырок она примерно одинакова и составляет примерно 5 10 м/с. Передаточная проводимость МОП-транзистора m g пропорциональна ширине канала W . Поскольку силовые приборы имеют относительно большие геометрические размеры, большой будет и передаточная проводимость. Мощные МОП-транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме. Поэтому для них важнейшими параметрами являются сопротивление канала в открытом состоянии, а также время включения и выключения. В низковольтных вертикальных МОП-транзисторах толщина − n - слоя невелика, и основную долю сопротивления канала составляет сильно легированный только + n - слой. В транзисторах с номинальным напряжением сток-исток более 100 В основной вклад в сопротивление канала вносит − n - слой. Конструкции современных МОП-транзисторов позволяют уменьшить сопротивление открытоко канала до величины, меньшей 0.1 Ом. Такое малое сопротивление имеют многоканальные структуры, в которых каналы соединены параллельно. Число каналов при этом может достигать нескольких тысяч. Параллельное сопротивление каналов МОП-транзистора возможно потому, что при росте температуры сопротивление канала увеличивается. Если по какой-либо причине ток одного из каналов увеличится, вырастет и его температура. Это приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока. Таким образом, при параллельном соединении каналов МОП-транзистора автоматически обеспечивается равенство токов. Преимущество мощных МОП-транзисторов перед биполярными заключается в высокой скорости переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и малой мощности, затрачиваемой на управление. 38 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) 1 можно рассматривать как сочетание мощного биполярного транзистора и управляющего МОП-транзистора. Управление БТИЗ осуществляется напряжением затвора, как и в случае МОП-транзистора, поэтому мощность, затрачиваемая на управление, невелика. Структура БТИЗ показана на рис. 4.9. Она похожа на структуру вертикального МОП-транзистора. Отличие заключается в том, что область коллектора является сильно легированной областью + p - типа. Добавление p - слоя приводит к образованию биполярного p-n-p-транзистора. Рис. 4.9 Рис. 4.10 Рис. 4.11 Эквивалентная схема такого комбинированного устройства показана на рис. 4.10. Условное графическое обозначение БТИЗ показано на рис. 4.11. Обратим внимание на то, что электроды транзистора принято называть «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Недостаток высоковольтных МОП-транзисторов заключается в том, что они имеют значительное сопротивление открытого канала при 1 Часто используют аббревиатуру IGBT – от английского Insulated Gate Bipolar Transistor. 39 номинальном напряжении, превышающем 500 В. По этой причине потери в канале могут превышать потери биполярных транзисторов с таким же номинальным напряжением. Слой + p в биполярном транзисторе с изолированным каналом инжектирует дырки в обедненный слой − n , что значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение между коллектором и эмиттером БТИЗ в открытом состоянии значительно меньше, чем напряжение сток-исток МОП-транзистора. Это одно из основных преимуществ БТИЗ. Недостатком этих приборов является меньшее быстродействие по сравнению с МОП-транзисторами. Уменьшение быстродействия вызвано накоплением заряда неосновных носителей в базе p-n-p-транзистора. Рассмотрим кратко характеристики БТИЗ. Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора к I от напряжения коллектор-эмиттер кэ U при фиксированном напряжении между затвором и эмиттером ( ) const U U f I = = зэ кэ к Выходная характеристика БТИЗ показана на рис. 4.12. Она подобна выходной характеристике МОП-транзистора. U З Э = 1 1 В I K , A U K Э , B U З Э = 9 В U З Э = 1 0 В U З Э = 1 2 В Рис. 4.12 Передаточная характеристика БТИЗ – зависимость тока стока от напряжения затвор-эмиттер при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером 40 ( ) const U U f I = = кэ зкэ к Биполярные транзисторы с изолированным затвором очень удобны для высоковольтных ( 100 > В) устройств, работающих на относительно невысоких частотах ( 100 < кГц). БТИЗ устойчивы к лавинному пробою, что позволяет применять их при напряжениях, близких к максимальным. Положительные качества БТИЗ перед обычными биполярными транзисторами заключаются в существенно меньшей мощности сигналов управления, способности выдерживать высокие обратные напряжения. БТИЗ в значительной степени вытеснили биполярные транзисторы и тиристоры в мощных импульсных источниках вторичного электропитания. Они широко используются в устройствах управления электрическими двигателями, инверторах, мощных системах бесперебойного питания. 5. Выводы 1. Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей. 2. Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. 3. По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: - с управляющим p–n-переходом; - с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МОП-транзисторы). 4. МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в энергетической электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. 5. Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру. Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов 41 |