Site Loader

Содержание

1

 

 


  1. Принцип действия МДП-транзистора. Разновидности МДП-тразисторов.

Существует четыре основных типа МОП‑транзистора, приведенные на рис. 4.1. Каждый прибор состоит из подложки, двух сильно легированных противоположной к подложке примесью областей, называемых истоком (S) и стоком (D) и металлического затвора (G), лежащего поверх тонкого слоя окисла. Напряжение затвора регулирует движение зарядов в канале между истоком и стоком. В зависимости от типа проводимости канала транзисторы делятся на n‑канальные и p‑канальные. В n‑канале ток создается электронами, а в p‑канале ‑ дырками. Каждый из этих двух типов приборов может  работать в двух режимах: обеднения и обогащения. У приборов работающих в режиме обеднения, канал между областями истока и стока существует при нулевом напряжении на затворе, поэтому такой канал называют

встроенным (рис. 4.1, а, в). В приборах работающих в режиме обогащения, проводящий канал возникает только при определенной полярности и значении напряжения на затворе, поэтому такой канал называют индуцированным, т. е. наведенным (рис. 4.1, б, г).

На практике большое распространение получили транзисторы обогащенного типа, с индуцированным каналом, при этом                n‑канальным транзисторам отдано предпочтение. Поэтому при дальнейшем рассмотрении МОП‑транзисторов основное внимание будет уделено транзисторам с индуцированным каналом n‑типа.

 

Рис. 4.1. Типы МОП‑транзисторов:

а ‑ n‑канальный обедненного типа; б ‑ n‑канальный обогащенного типа; в ‑ p‑канальный обедненного типа; г ‑ p‑канальный обогащенного типа

 

 

На практике большое распространение получили транзисторы обогащенного типа, с индуцированным каналом, при этом                n‑канальным транзисторам отдано предпочтение. Поэтому при дальнейшем рассмотрении МОП‑транзисторов основное внимание будет уделено транзисторам с индуцированным каналом n‑типа.

4.1.1. Принцип работы МОП‑транзисторов.Упрощенная структура n‑канального МОП‑транзистора с индуцированным каналом, т. е. обогащенного типа представлена на рис. 4.2. Транзистор состоит из МОП‑структуры, подробно описанной в п. 2.3, и содержит поверхностный инверсный слой (канал) между двумя
p‑n‑
переходами, образованными областями истока и стока с подложкой.

Рассмотрим работу транзистора при разных напряжениях, действующих на затворе  и стоке  относительно истока. Хотя МОП‑транзистор может работать как прибор с четырьмя выводами, при рассмотрении будем считать, что исток и подложка заземлены.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.2. n‑канальный МОП‑транзистор обогащенного типа

 

В исходном состоянии (рис. 4.2, а), когда напряжения на затворе и стоке равны нулю, поверхностный инверсный канал отсутствует и проводимость участка цепи между истоком и стоком практически равна нулю. При этом p‑n‑переходы, образованные подложкой и областями истока и стока, находятся при нулевом смещении, и ток в цепи оказывается весьма мал. Значение этого тока при комнатной температуре составляет около 1 нА для кремневых приборов.

При подаче на затвор положительного напряжения

, дырки, являющиеся основными носителями в подложке p‑типа, начинают отталкиваться от поверхности раздела . Под поверхностью раздела окисла начинает формироваться обедненный слой из отрицательных ионов акцепторов. При увеличении напряжения обедненный слой расширяется. Поверхностный слой интенсивно наполняется электронами, которые протягиваются из глубины подложки и инжектируются через открытые p‑n‑переходы из слоев истока и стока, имеющих проводимости типа. При превышении напряжением затвора некоторого значения, называемого пороговым , в поверхностном слое происходит инверсия типа проводимости и образуется инверсный  n‑канал между истоком и стоком, который отделен от остального объема полупроводника обедненным слоем. Эта ситуация показана на рис. 4.2,
б
, где канал заштрихован, а обедненный слой не заштрихован.

Пороговое напряжение  определяется как напряжение, при котором концентрация электронов в канале около поверхностного раздела  становится равной концентрации дырок в подложке p‑типа. Условимся считать, что в n‑канальном МОП‑транзисторе обогащенного типа образование канала происходит тогда, когда . При значениях  канал не существует. При значениях , больших чем , канал существует. Это приближение является основным в модели сильной инверсии, на основании которой будет выведена вольт‑амперная характеристика МОП‑транзистора.

Пороговое напряжение подробно рассмотренное в п. 2.3.1. Здесь же отметим, что пороговое напряжение складывается из четырех составляющих. Одна часть этого напряжения падает на слое окисла, другая на обедненном слое кремния, третья составляющая компенсирует заряд поверхностных состояний, а четвертая ‑ разность работ выхода в полупроводнике и материале затвора. Приведем выражение для порогового напряжения. При этом будем иметь в виду, что четвертый член формулы положителен для подложки p‑типа и отрицателен для подложки n‑типа:

,

(4.1)

где ‑ контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником;

‑  плотность заряда в окисле;

‑   удельная емкость слоя;

 ‑   концентрация примеси в подложке;

‑    относительная диэлектрическая проницаемость;

‑   максимальный поверхностный потенциал;

На основании формулы (4.1) можно сделать вывод, что  зависит от концентрации примеси в подложке и от того, в каком направлении ориентирован кристалл: (100) или (111) (от этого зависит величина заряда поверхностных состояний). У кремневых пластин с ориентацией (111) в области перехода от кремния к окислу количество разорванных связей больше, чем у кремневых пластин с ориентацией (100), поэтому заряд поверхностных состояний больше. По этой причине практически вся промышленная МОП‑технология базируется на кремнии с ориентацией (100). Концентрация примеси в канале часто регулируется ионным легированием для подстройки

 до требуемой величины.

При  в канале образуется слой свободных электронов. Теперь можно использовать подвижный заряд в канале, прикладывая к стоку положительное напряжение . Оно вызовет ток электронов от истока к стоку. Сила этого тока регулируется либо напряжением на затворе, либо путем изменения напряжения на стоке. В приборе действуют два поля: вертикальное электрическое поле, вызванное разностью потенциалов между затвором и подложкой, и горизонтальное электрическое поле из‑за разности потенциалов между истоком и стоком. Эти электрические поля взаимодействуют, и в результате взаимодействия толщина обедненного слоя от истока к стоку увеличивается, а толщина канала уменьшается (рис.4.2,

в). Напряжение стока создает обратное смещение на pnпереходе сток‑подложка, которое приводит к увеличению толщины обедненного слоя около области стока. Напряжение сток‑исток проявляется как горизонтальное падение напряжения вдоль канала. Оно является причиной уменьшения напряжения между затвором и подложкой и приводит к сужению канала вблизи стока. На этом участке ток в канале зависит от напряжения
.

При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением насыщения , равном

,

(4.2)

напряжение между затвором и подложкой вблизи области стока становится равным пороговому . При этом на границе с областью стока канал исчезает, или, как говорят, образуется «горловина» канала. Этот случай приведен на рис.4.2, в. Поверхность полупроводника в окрестности указанной точки находится не в режиме инверсии, а в режиме обеднения.

При дальнейшем росте напряжения на стоке  канал укорачивается со стороны области стока, так как напряжение между затвором и подложкой на этом участке становится недостаточным для создания сильной инверсии. Из‑за увеличения на этом участке обратного смещения увеличивается толщина обеденного слоя и канал укорачивается. Однако существующее между «горловиной» канала и областью стока электрическое поле вытягивает подвижные носители заряда из канала в область стока, поэтому несмотря на перекрытие канала, между истоком и стоком продолжает протекать ток. Это состояние приведено на рис. 4.2, г. Однако после образования «горловины» канала ток в нем практически перестает зависеть от напряжения на стоке. Наступает насыщение тока, откуда и название напряжения

.

На рис. 4.3 приведен более подробный чертеж n ‑ канального прибора обедненного типа, ранее показанного на рис. 4.1, а.

Рис. 4.3. n‑канальный МОП‑транзистор обедненного типа

 

Проводящий канал n‑типа (на рис. 4.3 он заштрихован) в таком транзисторе существует даже при В.

Если при  подать на затвор положительное напряжение, то из областей истока и стока в канал будут инжектироваться электроны, отчего его проводимость резко возрастет. При подаче на сток положительного напряжения по каналу начинает протекать ток, который сначала растет с увеличением , а при достижении напряжением на стоке напряжения насыщения достигает своего значения насыщения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения  электроны выталкиваются из канала в области истока и стока. Проводимость канала сначала уменьшается, затем с ростом модуля напряжения на затворе канал начинает сужаться и при напряжении  исчезает. В таком случае говорят, что канал закрывается, поэтому в данном случае пороговое напряжение называют напряжением отсечки.

Работа p‑канальных МОП‑транзисторов обогащенного и обедненного типов (см. рис. 4.1,  в, г) очень похожа на работу nканальных приборов. Их применяют не так широко, как  nканальные приборы, поскольку дырки менее подвижны, чем электроны. Разница в подвижности носителей заряда дает возможность изготовлять nканальные приборы меньших размеров и с большим быстродействием. В КМОП ‑ (комплементарных МОП) ‑ схемах n‑канальные и p‑канальные приборы включаются последовательно.

Другая разновидность полевых транзисторов ‑ полевой транзистор с управляющим p‑n‑переходом (ПТУП). По принципу действия ПТУП во многом схож с МОП‑транзистором и отличается в основном способом управления током в канале. Если в МОП‑транзисторе с помощью напряжения на затворе изменяется проводимость канала, то в ПТУП изменяется площадь сечения канала. Если в МОП‑транзисторе канал находится в приповерхностной области полупроводника и границами его являются с одной стороны граница раздела , а с другой стороны ‑ обратносмещенный переход канал‑подложка, то в ПТУП канал располагается в объеме полупроводника и ограничен обратносмещенными pnпереходами со всех сторон. Как и МОП‑транзисторы, ПТУП бывают с каналами n ‑ и pтипов. Кроме того, приборы могут быть с одним и двумя управляющими переходами.

4.2.1. Принцип работы полевого транзистора с управляющим pn‑переходом.Принцип работы полевого транзистора с управляющим p‑n‑переходом рассмотрим на примере ПТУП с каналом n‑типа и одним управляющим p‑n‑переходом. На рис. 4.13 представлены структура и условное изображение приборов подобного типа.

Рис. 4.13. ПТУП с каналом n-типа:

а — структура; б — условное графическое изображение

 

Прибор содержит две сильно легированные области -типа, которые называются истоком и стоком. Эти области соединяются каналом, расположенным в слаболегированном слое n‑типа. Управляющий p‑n‑переход образован между сильнолегированной областью затвора ‑типа и каналом п-типа. Второй границей раздела канала служит p‑n‑переход, образованный n‑каналом и подложкой p‑типа, которая обычно соединена с истоком. На сток подается положительное напряжение , под действием которого происходит дрейфовое движение носителей заряда (электронов) от истока к стоку. К электроду затвора приложено некоторое затворное напряжение , смещающее p‑n‑переход затвор‑канал в обратном направлении. Под действием затворного напряжения обедненная область  перехода расширяется, а толщина канала  уменьшается. По мере сужения канала его сопротивление возрастает, а ток в цепи исток‑сток уменьшается. Следовательно, напряжение на затворе управляет током в канале. Данный прибор можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением . Причем для лучшего управления необходимо, чтобы большая часть перехода находилась в области канала. Поэтому область затвора выполняется из высоколегированного материала.

Определим зависимость толщины и проводимости канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщину канала согласно рис. 4.13 можно записать следующим образом:

,

(4.42)

где         ‑ расстояние от границ подложки до металлургической границы управляющего p‑n‑перехода.

Используя для выражение (2.59), получаем зависимость толщина канала от напряжения на затворе:

.

 

(4.43)

Из условия  можно найти напряжение отсечки , при котором обедненный слой перекрывает весь канал:

.

 

(4.44)

Например, при  мкм напряжение отсечки  В.

Как видно, толщина канала  и концентрация примеси  в нем должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током окажется практически невозможным.

Если считать, что проводимость канала  равна

,

 

(4.45)

то с учетом формулы (4.43) и (4.44)можно записать зависимость проводимости от напряжения на затворе:

,

 

(4.46)

где         ‑ проводимость канала при отсутствии обедненного слоя, т.е. при  В.

При подаче на сток некоторого напряжения по каналу потечет ток , который, как и в случае с МОП‑транзистором, называют током стока. Если  мало, как на рис. 4.14, а, то канал действует как простой резистор, в котором соблюдается линейная зависимость тока от напряжения ,

 

Рис. 4.14. Принцип работы ПТУП с каналом n-типа

 

с ростом которого увеличивается падение напряжения вдоль канала, приводящее к возрастанию обратного смещения на pn‑переходе затвор‑канал вдоль канала от стока к истоку. Другими словами, при произвольном  напряжение между затвором и каналом есть функция координаты . Следовательно, ширина обедненной области и сечение канала также меняются с изменением координат. Поэтому ширина обедненной области возрастает от истока к стоку.

Когда напряжение  достигает некоторого критического значения , называемого напряжением насыщения, канал около стока перекрывается. Образуется «горловина» канала. В окрестности «горловины» взаимодействие горизонтального и вертикального электрических полей с плотностью тока сложно описать. Для краткости изложения будем считать, что в «горловине» обедненные слои смыкаются, изолируя исток от стока. Примем также, что ток стока проходит через обедненный слой так же, как проходят носители заряда через область коллекторного перехода в биполярном транзисторе. Обозначим ток стока при этом условии (рис. 4.14, б).

При увеличении напряжения стока  обедненный слой становится шире (рис. 4.14, в), но ток в канале остается примерно равным , потому что основная часть прироста напряжения находится на обедненный слой, а точка, где начинается полное обеднение канала, несколько сместится в сторону истока. В этом случае ПТУП работает в режиме насыщения, а ток  называют током насыщения. Напряжение на стоке, при котором наступает режим насыщения, равно

 

(4.47)

 

Полевые транзисторы с линейной характеристикой сопротивления. Полевые транзисторы

Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или . Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.

Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт. Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.

Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet»ам. Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.

Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны. Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.

HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).

См.

В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества. В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А. Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением. Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.

    Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

    Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

    Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current — максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.

    Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation — максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.

    Linear Derating Factor — с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.

    Vgs Gate-to-Source Voltage — максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.

    Eas Single Pulse Avalanche Energy — максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).

    Iar Avalanche Current — максимальный прерываемый ток составляет 20 А.

    Ear Repetitive Avalanche Energy — максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).

    dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt — предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.

    Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.

    Soldering Temperature, for 10 seconds — допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.

    Mounting torque, 6-32 or M3 screw — максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.

    Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.

    Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.

    Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.

Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).

    V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage — напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.

    ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient — температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.

    Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance — сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.

    Vgs(th) Gate Threshold Voltage — пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 — 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.

    gfs Forward Transconductance — Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.

    Idss Drain-to-Source Leakage Current — ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.

    Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage — ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.

    Qg Total Gate Charge — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.

    Qgs Gate-to-Source Charge — заряд емкости затвор-исток.

    Qgd Gate-to-Drain («Miller») Charge — соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)

В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.

    td(on) Turn-On Delay Time — время открытия транзистора.

    tr Rise Time — время нарастания импульса открытия (передний фронт).

    td(off) Turn-Off Delay Time — время закрытия транзистора.

    tf Fall Time — время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).

В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.

    Ld Internal Drain Inductance — индуктивность стока.

    Ls Internal Source Inductance — индуктивность истока.

Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.

    Crss Reverse Transfer Capacitance — емкость затвор-сток (емкость Миллера).

Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.

Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.

    Is Continuous Source Current (Body Diode) — максимальный непрерывный длительный ток диода.

    Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — максимально допустимый импульсный ток через диод.

    Vsd Diode Forward Voltage — прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.

    trr Reverse Recovery Time — время обратного восстановления диода.

    Qrr Reverse Recovery Charge — заряд восстановления диода.

    ton Forward Turn-On Time — время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.

Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок — для температуры 25°C, второй — для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.

На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.

На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.

На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.

На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.

На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.

На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.

На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.

На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.

На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.

Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то , или любой другой силовой импульсный преобразователь.

Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.

Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.

В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р п -перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными , потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом .

Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р -проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором , образующий плоский р-п -переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п -затвор и отрицательное на р -затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п -переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.

Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания , или пороговым напряжением , см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п -переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п -переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10 -10 А).

Полевые транзисторы с изолированным затвором

полевые транзисторы с индуцированным каналом

На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором . Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае на­звание изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).

Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки , или основания ) из кремния с р -проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п -проводимостью (исток и сток), разделенные областью п -канала, имеющей преобладающую р -проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных р‑п‑ перехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.

Однако, если на поверхностный слой р -полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п -проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего р‑п‑ переходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость п‑ канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.

Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.

Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.

Если основание выполнено из п -кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с р‑ проводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным р‑каналом (с проводимостью р ) (рис. 5.3 справа).

полевые транзисторы со встроенным каналом

МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п -каналом. Основание выполнено из р -кремния, а исток и сток имеют п -проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной р‑ проводимостью.

Если основание сделано из п -кремния, а исток и сток из р -кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).

Работу п -канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п -канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.

При подаче на затвор положительного напряжения п -канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).

Классификация и характеристики полевых транзисторов

Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с р‑п -переходом и п -канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п -канальными, так и р -канальными (рис. 5.5).

Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения , получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).

Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.

Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости — при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости i с от u си для ряда значений u зи.

Полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами. Особенностью их является то, что ток выхода управляется электрическим полем и напряжением одной полярности. Регулирующий сигнал поступает на затвор и осуществляет регулировку проводимости перехода транзистора. Этим они отличаются от биполярных транзисторов, в которых сигнал возможен с разной полярностью. Другим отличительным свойством полевого транзистора является образование электрического тока основными носителями одной полярности.

Разновидности
Существует множество разных видов полевых транзисторов, действующих со своими особенностями.
  • Тип проводимости. От нее зависит полюсность напряжения управления.
  • Структура: диффузионные, сплавные, МДП, с барьером Шоттки.
  • Количество электродов: бывают транзисторы с 3-мя или 4-мя электродами. В варианте с 4-мя электродами подложка является отдельной частью, что дает возможность управлять прохождением тока по переходу.
  • Материал изготовления: наиболее популярными стали приборы на основе германия, кремния. В маркировке транзистора буква означает материал полупроводника. В транзисторах, производимых для военной техники, материал маркируется цифрами.
  • Тип применения: обозначается в справочниках, на маркировке не указан. На практике известно пять групп применения «полевиков»: в усилителях низкой и высокой частоты, в качестве электронных ключей, модуляторов, усилителей постоянного тока.
  • Интервал рабочих параметров: набор данных, при которых полевики могут работать.
  • Особенности устройства: унитроны, гридисторы, алкатроны. Все приборы имеют свои отличительные данные.
  • Количество элементов конструкции: комплементарные, сдвоенные и т. д.
Кроме основной классификации «полевиков», имеется специальная классификация, имеющая принцип действия:
  • Полевые транзисторы с р-n переходом, который осуществляет управление.
  • Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
  • «Полевики» с изолированным затвором, которые делятся:
    — с индукционным переходом;
    — со встроенным переходом.

В научной литературе предлагается вспомогательная классификация. Там говорится, что полупроводник на основе барьера Шоттки необходимо выделить в отдельный класс, так как это отдельная структура. В один и тот же транзистор может входить сразу оксид и диэлектрик, как в транзисторе КП 305. Такие методы применяют для образования новых свойств полупроводника, либо для снижения их стоимости.

На схемах полевики имеют обозначения выводов: G – затвор, D – сток, S – исток. Подложку транзистора называют «substrate».

Конструктивные особенности

Электрод управления полевым транзистором в электронике получил название затвора. Его переход выполняют из полупроводника с любым видом проводимости. Полярность напряжения управления может быть с любым знаком. Электрическое поле определенной полярности выделяет свободные электроны до того момента, пока на переходе не закончатся свободные электроны. Это достигается воздействием электрического поля на полупроводник, после чего величина тока приближается к нулю. В этом заключается действие полевого транзистора.

Электрический ток проходит от истока к стоку. Разберем отличия этих двух выводов транзистора. Направление движения электронов не имеет значения. Полевые транзисторы обладают свойством обратимости. В радиотехнике полевые транзисторы нашли свою популярность, так как они не образуют шумов по причине униполярности носителей заряда.

Главной особенностью полевых транзисторов является значительная величина сопротивления входа. Это особенно заметно по переменному току. Эта ситуация получается по причине управления по обратному переходу Шоттки с определенным смещением, или по емкости конденсатора возле затвора.

Материалом подложки выступает нелегированный полупроводник. Для «полевиков» с переходом Шоттки вместо подложки закладывают арсенид галлия, который в чистом виде является хорошим изолятором.

На практике оказывается трудным создание структурного слоя со сложным составом, отвечающим необходимым условиям. Поэтому дополнительным требованием является возможность медленного наращивания подложки до необходимых размеров.

Полевые транзисторы с р- n переходом

В такой конструкции тип проводимости затвора имеет отличия от проводимости перехода. Практически применяются различные доработки. Затвор может быть изготовлен из нескольких областей. В итоге наименьшим напряжением можно осуществлять управление прохождением тока, что повышает коэффициент усиления.

В разных схемах применяется обратный вид перехода со смещением. Чем больше смещение, тем меньше ширина перехода для прохождения тока. При определенной величине напряжения транзистор закрывается. Применение прямого смещения не рекомендуется, так как мощная цепь управления может оказать влияние на затвор. Во время открытого перехода проходит значительный ток, или повышенное напряжение. Работа в нормальном режиме создается путем правильного выбора полюсов и других свойств источника питания, а также подбором точки работы транзистора.

Во многих случаях специально применяют непосредственные токи затвора. Такой режим могут применять и транзисторы, у которых подложка образует переход вида р-n. Заряд от истока разделяется на сток и затвор. Существует область с большим коэффициентом усиления тока. Этот режим управляется затвором. Однако, при возрастании тока эти параметры резко падают.

Подобное подключение применяется в схеме частотного затворного детектора. Он применяет свойства выпрямления перехода канала и затвора. В таком случае прямое смещение равно нулю. Транзистор также управляется затворным током. В цепи стока образуется большое усиление сигнала. Напряжение для затвора изменяется по закону входа и является запирающим для затвора.

Напряжение в стоковой цепи имеет элементы:
  • Постоянная величина. Не применяется.
  • Сигнал несущей частоты. Отводится на заземление с применением фильтров.
  • Сигнал с модулирующей частотой. Подвергается обработке для получения из него информации.

В качестве недостатка затворного детектора целесообразно выделить значительный коэффициент искажений. Результаты для него отрицательные для сильных и слабых сигналов. Немного лучший итог показывает фазовый детектор, выполненный на транзисторе с двумя затворами. Опорный сигнал подается на один их электродов управления, а информационный сигнал, усиленный «полевиком», появляется на стоке.

Несмотря на значительные искажения, этот эффект имеет свое назначение. В избирательных усилителях, которые пропускают определенную дозу некоторого спектра частот. Гармонические колебания фильтруются и не влияют на качество действия схемы.

Транзисторы МеП, что означает – металл-полупроводник, с переходом Шоттки практически не отличаются от транзисторов с р-n переходом. Так как переход МеП имеет особые свойства, эти транзисторы могут функционировать на повышенной частоте. А также, структура МеП простая в изготовлении. Характеристики по частоте зависят от времени заряда затворного элемента.

МДП-транзисторы

База элементов полупроводников постоянно расширяется. Каждая новая разработка изменяет электронные системы. На их базе появляются новые приборы и устройства. МДП-транзистор действует путем изменения проводимости полупроводникового слоя с помощью электрического поля. От этого и появилось название – полевой.

Обозначение МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник. Это дает характеристику состава прибора. Затвор изолирован от истока и стока тонким диэлектриком. МДП транзистор современного вида имеет размер затвора 0,6 мкм, через который может протекать только электромагнитное поле. Оно оказывает влияние на состояние полупроводника.

При возникновении нужного потенциала на затворе возникает электромагнитное поле, которое оказывает влияние на сопротивление участка стока-истока.

Достоинствами такого применения прибора является:
  • Повышенное сопротивление входа прибора. Это свойство актуально для применения в цепях со слабым током.
  • Небольшая емкость участка сток-исток дает возможность применять МДП-транзистор в устройствах высокой частоты. При передаче сигнала искажений не наблюдается.
  • Прогресс в новых технологиях производства полупроводников привел к разработке транзисторов IGBT, которые включают в себя положительные моменты биполярных и полевых приборов. Силовые модули на их основе широко применяются в приборах плавного запуска и преобразователях частоты.

При разработке таких элементов нужно учесть, что МДП-транзисторы имеют большую чувствительность к повышенному напряжению и статическому электричеству. Транзистор может сгореть при касании к его выводам управления. Следовательно, при их установке необходимо применять специальное заземление.

Такие полевые транзисторы обладают многими уникальными свойствами (например, управление электрическим полем), поэтому они популярны в составе электронной аппаратуры. Также следует отметить, что технологии изготовления транзисторов постоянно обновляется.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.

Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р- n — перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n — типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n — типа – электронной.

Полевой транзистор с управляющим р- n — переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р- n -переходом, смещенным в обратном направлении.

Устройство полевого транзистора с управляющим р- n -переходом (каналом n — типа)

Условное обозначение полевого транзистора с р- n -переходом и каналом n — типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда — сток. Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения — затвор.

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи является обратным для обоих р- n — переходов. Ширина р- n — переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р- n — переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения U си, то силой тока стока I с , протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р- n — переходом.

При напряжении U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n — переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n — переходом и каналом n — типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f (U си ) при U зи = const .


Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние и управляющее напряжение U зи , и напряжение U си . При U си = 0 выходной ток I с = 0. При U си > 0 (U зи = 0) через канал протекает ток I c , в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно U си . Повышение напряжения U си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U си происходит сужение канала, при котором границы обоих р- n — переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение U си называют напряжением насыщения U си нас . При подаче на затвор обратного напряжения U зи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения U си нас . В рабочем режиме используются пологие участки выходных характеристик.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП — транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП — транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП — транзисторы (металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП — транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП — транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.


Конструкция МДП — транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n — типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.


При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны — из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока. Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n — переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт. Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U зи пор , в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n -типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.


Условное обозначение МДП — транзисторов:

а − со встроенным каналом n — типа;

б − со встроенным каналом р- типа;

в − с выводом от подложки;

г − с индуцированным каналом n — типа;

д − с индуцированным каналом р- типа;

е − с выводом от подложки.

Статические характеристики полевых МДП — транзисторов.

При U зи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения U зи 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U зи 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U зи = 0.

При подаче на затвор напряжения U зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока I с увеличивается. Стоковые характеристики при U зи > 0 располагаются выше исходной кривой при U зи = 0.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U си . Ток I c = 0 при U си = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

Параметры МДП — транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р- n — переходом. По входному сопротивлению МДП — транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р- n — переходом.

схемы включения

Полевой транзистор можно включать с общим истоком-а (ОИ), общим стоком-в (ОС) и общим затвором-б (ОЗ).


Чаще всего применяется схема с ОИ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

усилительный каскад на полевых транзисторах


Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ .

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока I сп и соответствующим ему напряжением сток-исток U сип . Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора U зип . Это напряжение возникает на резисторе R и при прохождении тока I сп (U R и = I сп R и ) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R 3 . Резистор R и , кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I сп . Чтобы на резисторе R и не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором С и. Этим и обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

    Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

    Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

    Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

    Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

    Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10 14 Ом.

    От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U си и U зи.

    Схемы включения полевых транзисторов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

    В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

    Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

    Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

    Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

    Напряжение отсечки.

    Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

    Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора

    Поясните влияние на ток стока напряжений U зи и U си .

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала ), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала ). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения . Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения ), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток-исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток-исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

    Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

    Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

http://secretary.rid.go.th/ http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/

Home
bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Полевой транзистор — Физическая энциклопедия

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОРтранзистор ,в к-ром управление протекающим через него током осуществляется электрич. полем, перпендикулярным направлению тока. Принцип работы П. т., сформулированный в 1920-х гг., поясняется на рис. 1. Тонкая пластинка полупроводника (канал) снабжена двумя омич. электродами (истоком и стоком). Между истоком и стоком расположен третий электрод — затвор. Напряжение, приложенное между затвором и любым из двух др. электродов (истоком или стоком), приводит к появлению в подзатворной области канала электрпч. поля. Влияние этого поля приводит к изменению кол-ва носителей заряда в канале вблизи затвора и, как следствие, изменяет сопротивление канала.

Изготовляются П. т. гл. обр. из Si и GaAs; исследуются также П. т. на основе тройных твёрдых растворов а также гетероструктур

и др.

Если канал П. т.- полупроводник n-тнпа, то ток в нём переносится электронами, входящими в канал через исток, к к-рому в этом случае прикладывается отри-цат. потенциал, н выходящими из канала через сток.

Если канал П.т.- полупроводник р-типа, то к истоку прикладывается положит, потенциал, а к стоку — отрицательный. При любом типе проводимости канала ток всегда переносится носителями заряда только одного знака: либо электронами, либо дырками, поэтому П. т. наз. иногда униполярными транзисторами.

Различают 2 осн. типа П. т. К первому типу относят П. т., в к-рых затвором служит r — re-переход (П. т. с управляющим r — h-переходом) или барьер металл — полупроводник (Шоттки барьер). Ко второму типу относят П. т., в к-рых металлич. электрод затвора отделён от канала тонким слоем диэлектрика, — П. т. с изолированным затвором.

Идея, лежащая в основе работы П. т. с затвором в виде pn-перехода, высказана в нач. 50-х гг. У. Шок-ли (W. Shockley, США). Она поясняется на рис. 2. Под металлич. электродом затвора П. т. сформирован р-слой, так что между затвором и любым из двух др, электродов П. т. существует p — n-переход. Толщина канала d, по к-рому ток может протекать между истоком и стоком, зависит от напряжения, приложенного к затвору. Между истоком и затвором прикладывается напряжениесмещающее p — n-переход в запорном направлении (в П. т. с каналом h-типа это условие соответствует «минусу» на затворе). Тогда под затвором возникает обеднённый слой (см. p — n-переход ),имеющий очень высокое сопротивление. Чем больше напряжение тем больше толщина обеднённого слоя. В пределах обеднённого слоя ток практически течь не может. Поэтому увеличениесоответствует сужению канала, по к-рому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током в канале. Чем большетем толще обеднённый слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление и тем меньше ток в канале. При достаточно большой величинеобеднённый слой под затвором может полностью перекрыть канал, и ток в канале обратится в нуль. Соответствующее напряжение наз. напряжением отсечки. Ширина области объёмного заряда обратносмещён-ного p — n-перехода где е — заряд электрона,- концентрация доноров в материале канала, e — диэлектрич. проницаемость материала,диэлектрич. постоянная, контактная разность потенциалов в p — n

переходе. Очевидно, толщина канала где h — геом. толщина канала (рис. 2). Напряжение отсечки находится из условия

Принцип работы П. т. с затвором в виде барьера Шоттки (ПТШ) аналогичен. Разница лишь в том, что обеднённый слой в канале под затвором создаётся приложением запорного напряжения к контакту металл — полупроводник.

ПТШ и П. т. с управляющимпереходом, как правило, являются П. т. снормально открытым каналом. Так принято наз. П. т., в к-рых при отсутствии напряжения на затвореканал открыт и между истоком и стоком возможно протекание тока. В цифровых устройствах для снижения потребляемой мощности применяют также нормально закрытые П. т. В этих приборах толщина канала h настолько мала, что канал под действием кон-тактной разности потенциаловпри нулевом напряжении на затворе полностью обеднён носителями заряда, т. е. канал практически закрыт. Рабочей областью входных сигналов таких П. т. являются отпирающие значения

В П. т. с изолиров. затвором между каналом П. т. и металлич. электродом затвора размещается тонкий слой диэлектрика (рис. 3, 4). Поэтому такие П. т. наз. МДП-транзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник; см. МДП-структура ).Часто в МДП-тран-зисторе слоем диэлектрика служит окисел на поверхности полупроводника. В этом случае П. т. наз. МОП-транзисторами (металл — окисел — полупроводник). Первые МДП-транзисторы появились в сер. 50-х гг.

МДП-транзисторы могут быть как с нормально открытым, так и с нормально закрытым каналами. МДП-транзистор с нормально открытым, встроенным каналом показан на рис. 3 на примере МДП-транзистора с каналом re-типа. Транзистор выполнен на подложке р-типа. Сверху подложки методами диффузии, ионной имплантации или эпитаксии формируются проводящий канал re-типа и две глубокиеобласти для создания омич. контактов в области истока и стока. Область затвора представляет собой конденсатор, в к-ром одной обкладкой служит металлич. электрод затвора, а другой — канал П. т. Если между затвором и каналом приложить напряжение, то в зависимости от его знака канал будет обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. Соответственно, сопротивление канала будет уменьшаться или возрастать. В показанной на рис. 3 МДП-структуре с каналом n-типа напряжение, «плюс» к-рого приложен к затвору, а «минус» — к каналу (истоку или стоку), вызывает обогащение электронами приповерхностного слоя полупроводника под затвором. Обратная полярность напряжения на затворе вызывает обеднение канала электронами аналогично П. т. с управляющимпереходом.

Для работы МДП-транзистора принципиально важно, чтобы поверхность раздела диэлектрик — полупроводник под затвором имела низкую плотность электронных поверхностных состояний. В противном случае изменение напряжения на затворе может приводить не к изменению концентрации носителей в канале, а лишь к перезарядке поверхностных состояний.

МДП-транзистор с индуциров. каналом показан на рис. 4. Из сравнения рис. 3 и 4 видно, что этот транзистор отличается от МДП-транзистора со встроенным каналом отсутствием n-слоя под затвором. Если напряжение на затворе отсутствуетто в МДП-тран-зисторе, показанном на рис. 4, отсутствует и канал (транзистор с нормально закрытым каналом), а сам транзистор представляет собой два последовательно включённыхперехода. При любой полярности напряжения между истоком и стоком один из этих переходов оказывается включённым в обратном направлении и ток в цепи исток — сток практически равен нулю.

Если приложить к затвору напряжениев такой полярности, как показано на рис. 4, то поле под затвором будет оттеснять дырки и притягивать в под-затворную область электроны. При достаточно большом напряженииназываемом напряжением отпирания, под затвором происходит инверсия типа проводимости: вблизи затвора образуется тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий канал. При дальнейшем увеличениивозрастает концентрация электронов в канале и сопротивление его уменьшается.

Осн. параметры П. т. Для П. т. характерно очень высокое входное сопротивление по пост, току

Действительно, входной сигнал в П. т. подаётся на затвор, сопротивление к-рого в П. т. с управляющим переходом и ПТШ определяется сопротивлением обратно смещённого перехода или сопротивлением барьера Шоттки, а в МДП-транзисторе — сопротивлением слоя диэлектрика. Величинав П. т. обычно превосходит 106 Ом, в нек-рых конструкциях достигает 1014 Ом. Входное сопротивление по перем. току практически определяется ёмкостью затвора В сверхвысокочастотных П. т. величина пФ, в мощных низкочастотных П. т. величинапФ.

Усилит, свойства П. т. характеризуются крутизной вольт-амперной характеристики 5, определяемой как отношение изменения тока между истоком и стоком (тока стока)к изменению напряжения на затворе при пост, напряжении на стоке:

При неизменной структуре прибора крутизна растёт прямо пропорционально ширине затвора В (рис. 5). Поэтому при сравнении усилит, свойств разл. типов П. т. используется понятие уд. крутизны(отношения крутизны к ширине затвора В). Крутизна П. т. измеряется в сименсах, уд. крутизна — в сименсах/мм. В серийных П. т.См/мм. В лаб. разработках достигнуты значенияпри 300 К и при 77 К.

П. т. относятся к малошумящим приборам. Типичное значение коэф. шума (см. Шумовая температура)серийных П. т. дБ. Предельные ВЧ-свойства П. т. определяются временем пролёта носителей под затвором tпр вдоль канала. Макс, рабочая частота П. т. может быть оценена, как где L — длина затвора (рис. 5). Величина L в серийных П. т. составляет 0,5-10 мкм. В лаб. условиях широко исследуются приборы смкм. Величина uмакс в кремниевых приборах не превосходит дрейфовой скорости насыщениясм/с (см. Лавинно-пролётный диод ).В П. т. на основе соединенийпри мкм важную роль играют т. н. баллис-тич. эффекты (движение носителей заряда без столкновений на длине канала), за счёт к-рых величина возрастает доПредельная частота генерации П. т. превосходит 200 ГГц. Предельно малое время переключения

Осн. разновидности П. т. По областям применения все П. т. можно условно разбить на 4 осн. группы: П. т. для цифровых устройств и интегральных схем (ЦУ и ИС), П. т. общего применения, сверхвысокочастотные П. т. и мощные П. т.

П. т., предназначенные для работы в ЦУ и ИС, должны обладать малыми габаритами, высокой скоростью переключения и мин. энергией переключения. Серийные П. т. для ЦУ и ИС в наст, время изготовляются в осн. из Si и характеризуются следующими параметрами: длина затворамкм, время переключениянс, энергия переключенияпДж. Лучшие результаты получены с использованием П. т. на основе гетерострук-тур с селективным легированием (ГСЛ) [3, 4]. В ГСЛ-транзисторах, называемых также транзисторами с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ), используются свойства двумерного электронного газа, образующегося в нек-рых гетероструктурах на границе узкозонного и широкозонного слоев гетеропары. С использованием гетеропары получены ГСЛ-транзисторы с временем переключения 5 пс и энергией переключенияДж. Исследуются также ГСЛ-транзисторы с использованием др. гетеропар на основе соединений

Осн. требование к сверхвысокочастотным П. т. состоит в достижении макс, мощности или коэф. усиления на предельно высокой частоте. Продвижение в область высоких частот требует уменьшения длины затвора и макс, использования баллистич. эффектов для достижения высокой скорости носителей. Для изготовления сверхвысокочастотных П. т. в наст, время используется в осн. в к-ром баллистич. превышение скорости над максимально возможным равновесным значением выражено значительно сильнее, чем вСерийные СВЧ П. т. работают на частотах доЛаб. разработки проводятся на частотах 90-110 ГГц. Предельная частота генерации (230 ГГц) получена в ГСЛ-транзисторах на основеизготовленных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии.

Мощные П. т. работают при напряжении в цепи каналаВ и коммутируемом токеТ. к. мощность на единицу рабочей площади структуры принципиально ограничена необходимостью отводить тепло, мощные П. т. имеют большую общую длину электродов. Часто используется встречно-штыревая система электродов [2]. Мощные П. т. изготовляются на основе и Характерные рабочие частоты мощных П. т. достигают величин МГц.

Новые разновидности П. т. Транзисторы с проницаемой базой (ТПБ) предложены в 1979 и, по оценкам, способны, в принципе, повысить рабочую частоту П. т. до 1012 Гц (1 ТГц). Носители заряда в канале ТПБ движутся не вдоль поверхности полупроводниковой плёнки, а перпендикулярно ей. Длина канала, и следовательно время пролёта носителей, в ТПБ могут быть значительно уменьшены в сравнении с планар-ным П. т. При планарной конструкции мин. размер затвора L определяется возможностями рентг. или электронно-лучевой микролитографии: мкм

(1000). Предельно малая величина L в ТПБ определяется толщиной плёнки, к-рая может быть получена в совр. установке молекулярно-пучковой эпитаксии, и составляет неск. атомных слоев.

Электроны в ТПБ (рис. 6) движутся от истока к стоку в направлении, перпендикулярном поверхности плёнки. Затвором служит металлич. сетка, «погружённая» в толщу полупроводниковой структуры ТПБ. По принципу действия ТПБ аналогичен ПТШ. Между металлич. сеткой и полупроводником возникает барьер Шоттки. Толщина обеднённой области вблизи проводников сетки определяется напряжением на затворе. Если толщина обеднённой области меньше расстояния между проводниками сетки, канал открыт и электроны свободно движутся к стоку. При достаточно большом напряжении обеднённые области перекрываются — канал закрыт. Осн. проблема создания ТПБ состоит в получении качеств, границы раздела металл — полупроводник. ТПБ имеет большое сходство с электронной лампой, в к-рой управляющим электродом является металлич. сетка.

Др. разновидностью П. т., в к-ром достигается уменьшение длины канала, является П. т. с канавкой (рис. 7), к-рый по принципу действия представляет собой МДП-тран-зистор с индуциров. каналом. Однако длина канала в такой структуре определяется не размером канавки в её верх, части(рис. 7), а толщинойслоя и углом между склонами канавки и слоями П. т. Длина затвора в такой конструкции может быть в неск. раз меньшей, чем в планарном П. т. Изготовление П. т. с V-канавкой основано на анизотропии травления Si и GaAs при определ. ориентации поверхности полупроводниковой структуры.

Нек-рые др. типы быстродействующих транзисторов рассмотрены в [3, 4].

Лит.: Кроуфорд Р., Схемные применения МОП-транзисторов, пер. с англ., М., 1970; З и С., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1984; Пожела Ю., Юценев., Физика сверхбыстродействующих транзисторов, Вильнюс, 1985; Шур М., Современные приборы на основе арсенида галлия, пер. с англ., М., 1991.

М. Е, Левинштейн, Г. С. Симин.

      Предметный указатель      >>   

Модель измерения заряда переключения МОП-транзистора

Библиографическое описание:

Калинушкин, Д. О. Модель измерения заряда переключения МОП-транзистора / Д. О. Калинушкин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 20 (258). — С. 104-107. — URL: https://moluch.ru/archive/258/59081/ (дата обращения: 30.10.2021).



Статья посвящена разработке модели измерения заряда переключения МОП-транзисторов, с дальнейшим использованием при создании стенда измерения параметров полевых транзисторов.

Ключевые слова: МОП-транзистор, заряд затвор — исток, заряд затвор — сток, ток стока, временные интервалы.

Современный рынок электроники — это сложнейшая система взаимоотношений производителей и потребителей, продавцов и покупателей. Одной из больших проблем является появление на нем подделок МДП-транзисторов. Поэтому актуальной задачей является входной контроль основных параметров этих полупроводниковых приборов. Таким параметром является заряд переключения.

Полный заряд затвора имеет две составляющих: заряд затвор — исток и заряд затвор — сток (часто называемый зарядом Миллера). Ток стока может быть получен от источника напряжения величиной 0,8хVds с последовательным резистором соответствующей величины. Импульс, подаваемый на затвор, должен быть достаточной длительности, чтобы гарантировать полное включение полевого транзистора. Он может быть получен от генератора, работающего при малом коэффициенте заполнения [2]. На рис. 1 показана схема измерения заряда переключения и форма сигнала при проведении анализа.

Рис. 1. Схема измерения заряда переключения ПТ

Из соотношения Θ = i, были получены следующие формулы для расчета заряда (1):

, , , (1)

где Qg полный заряд затвора,Qgs заряд затвор-исток, Qgd заряд затвор-сток.

Значение Qgопределяется по уровню напряжения равному 10В, а значение Qgdвычисляется как разница между временными интервалами, так называемой “полки”. Заряд затвор-исток (Qgs) равен разнице между значением QgиQgd [1].

Для проверки работоспособности построенной модели была выбрана программа Proteus 7.10. В качестве исследуемой модели транзистора был выбран IRF630, характеристики которого представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры транзистора IRF630

Параметр

Рекомендованное значение, nC

Qg

До 37

Qgs

7,2

Qgd

11

На рис. 2 представлена модель измерения заряда переключения МДП-транзистора. Моделируется работа АЦП на микросхеме AD7322, которая пересылает данные по SPI шине. На затвор подается постоянный ток 1,5 mA, а на сток напряжение равное 100 В. В качестве исследуемого транзистора был выбран IRF630

Рис. 2. Схема измерения заряда переключения полевого транзистора

На рис. 3 представлена временная диаграмма заряда переключения транзистора IRF630.

Рис. 3. График заряда переключения IR630

По построенному графику определяются доверительные временные интервалы, после чего измеренные значения подставляются в формулы и вычисляются заряда затвор-исток, заряд затвор-сток и полный заряд затвора. Полученные результаты представлены в табл.2 и входят в доверительные интервалы, соответствующие значениям из рабочей документации (в таблице указаны максимальные значения).

Таблица 2

Экспериментальные идокументационные параметры IRF530

Параметр

Рекомендованное значение, nC

Измеренное значение, nC

Qg

До 37

9

Qgs

7,2

7,2

Qgd

11

1,8

Вывод

Исследование показало, что с помощью модели можно измерять заряд переключения полевого транзистора. Главными достоинствами можно назвать простоту автоматизации измерений и использование при контроле входных параметров МОП-транзисторов на производстве. Другим достоинством можно назвать возможность выявления недоработок самих моделей транзисторов в SPICE — системах.

Литература:

  1. А. И. Колпаков В лабиринте силовой электроники (Сборник статей) — СПб: «Издательство Буковского», 2000. — 96 с.: ил.
  2. Измерение характеристик МОП-транзистора. International Rectifier. AN-975B.

Основные термины (генерируются автоматически): заряд, полевой транзистор, полный заряд затвора, схема измерения заряда переключения, SPI, SPICE, заряд переключения, затвор, параметр, рекомендованное значение, ток стока.

DS99360 (IXFL80N50Q2)

% PDF-1.6 % 21 0 объект > / OCGs [72 0 R] >> / PageLabels 15 0 R / Pages 17 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 71 0 объект > / Шрифт >>> / Поля [] >> эндобдж 18 0 объект > поток Adobe PageMaker 7.02019-04-14T11: 03: 53-05: 002009-07-17T14: 10: 13-07: 002019-04-14T11: 03: 53-05: 00application / pdf

  • DS99360 (IXFL80N50Q2)
  • рлохер
  • DS99360 (IXFL80N50Q2)
  • Акробат Дистиллятор 8.0.0 (Windows) uuid: eedfc5b0-e691-480b-9477-bdc1e391ab18uuid: 9b3bda0b-7b37-9742-b647-325f7e153704 конечный поток эндобдж 15 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 1 0 объект > эндобдж 76 0 объект > / Resources> / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / Properties >>> / Rotate 0 / Thumb 82 0 R / TrimBox [0.oof9o 37w & ̈́: XM * C1͛? ̟qgwOhOc ~ e} w w7 ؼ yoC

    Напряжение стока — обзор

    5.08.4.3 Характеристики устройства и коэффициент усиления напряжения

    На рисунке 36 показан измеренный ток стока I d как функция В gs при напряжении стока В ds = –1 мВ в изготовленном SHT с тончайшим оксидом затвора (толщина оксида затвора: t ox = 8,5 нм) при комнатной температуре. Все измерения в этом разделе выполняются при комнатной температуре.Наблюдаются сильные и резкие колебания кулоновской блокады с PVCR 395 и FWHM 110 мВ. Плечо выступов не наблюдается; следовательно, устройство работает как одноточечный SHT. Коэффициент связи затвора α ( C g / C точка ) 0,83 получается из FWHM = 3,52 k B T / e α (Morgan et al. , 2001), показывая, что емкость затвора преобладает над емкостью SHT. Здесь C точка представляет собой сумму C g (емкость затвора), C d (емкость стока) и C s (емкость истока).Емкость подложки C, , b не включена, так как проводной канал имеет структуру затвора со всех сторон (GAA), как описано в разделе 5.08.5.3.

    Рисунок 36. Измеренные характеристики I d V gs (левая ось: линейный график, правая ось: логарифмический график) изготовленного SHT с тончайшим оксидом затвора ( t ox = 8,5 нм) при комнатной температуре (Miyaji et al. , 2006a). Наблюдаются сильные и резкие колебания кулоновской блокады с PVCR 395 и FWHM 110 мВ.Воспроизведено с разрешения Miyaji K, Saitoh M и Hiramoto T (2006a) Зависимость усиления отрицательной дифференциальной проводимости от напряжения в кремниевых транзисторах с одним отверстием. Applied Physics Letters 88: 143505. Авторское право (2006 г.), Американский институт физики.

    На рисунке 37 показан измеренный ток стока I d как функция В ds при комнатной температуре ( В ds > 0 В) в том же устройстве.Чрезвычайно большой (PVCR 106) и очень резкий (FWHM 95 мВ) NDC получается при В gs при –0,4 В. Пик NDC может модулироваться В gs и его можно увидеть даже при очень низкое В ds , когда В gs низкое. Рисунок 38 — диаграмма кулоновской блокады этой SHT. На рисунке показан гребень тока при В ds > 0 В, соответствующий пику тока в колебаниях NDC.Четкая область блокады, вызванная NDC, расширяет ромбовидную форму обычного кулоновского блокадного ромба и приводит к NDC.

    Рисунок 37. Комнатная температура I d минус В ds Характеристики изготовленного ТТ в корпусе Рисунок 36 . PVCR и FWHM пика NDC составляют 106 и 95 мВ при В gs = -0,4 В соответственно. Этот результат является рекордно высоким и четким NDC, полученным в SET / SHT. Воспроизведено с разрешения Miyaji K, Saitoh M и Hiramoto T (2006a) Зависимость усиления отрицательной дифференциальной проводимости от напряжения в кремниевых транзисторах с одним отверстием. Applied Physics Letters 88: 143505. Авторское право (2006 г.), Американский институт физики.

    Рис. 38. Схема кулоновской блокады ШТ с большой ОДП при комнатной температуре. По наклону и ширине алмаза оцениваются отношения емкостей и энергия добавления отдельных отверстий. Наклон ромба вокруг первого пика (β) обеспечивает точные соотношения емкостей в условиях, когда возникает NDC. Воспроизведено с разрешения Miyaji K, Saitoh M и Hiramoto T (2006a) Зависимость усиления отрицательной дифференциальной проводимости от напряжения в кремниевых транзисторах с одним отверстием. Applied Physics Letters 88: 143505. Авторское право (2006 г.), Американский институт физики.

    Из наклона β на рисунке и α, извлеченного из Рис. 36 , доли емкости C g : C d : C s получаются как 1: 0,19: 0,03. От α и ширины области кулоновской блокады относительно В gs V gs ), энергии присоединения одной дырки E a = E c + Δɛ = α ΔV gs оказывается равным 0.57 эВ. Из долей емкости и ширины области блокады, вызванной NDC, относительно В ds V ds ), Δɛ = (1 — C d / C точка ) Δ V ds оказалось равным 0,35 эВ (Ishikuro and Hiramoto, 1997). Таким образом, E c составляет 0,22 эВ. Тогда емкости C g , C d , C s и C dot оцениваются как 0.60, 0,11, 0,019 и 0,73 мкФ соответственно.

    Обратите внимание, что эти абсолютные значения емкости, энергии суммирования отдельных отверстий и расстояния между квантовыми уровнями менее точны, поскольку общая емкость увеличивается с уменьшением напряжения затвора (более В гс ) из-за источника / снижение водосточного барьера (Saitoh et al. , 2002). Такое увеличение емкости приводит к завышению Δ В гс . Эти вопросы подробно обсуждаются позже в Разделе 5.08.5.5. Хотя абсолютные значения некоторых параметров SHT неточны, основное обсуждение в этом разделе носит количественный характер, потому что оно сосредоточено на усилении напряжения на пике NDC, которое является отношением емкостей, правильно полученным из наклонов алмаза кулоновской блокады первого пика. .

    Из полученного выше отношения емкостей коэффициент усиления по напряжению ( C g / C d ) этого SHT составляет 5,2. Коэффициент усиления по напряжению является важным параметром для передачи сигнала на следующий каскад схемы (Harata et al., 2005; Ono et al. , 2000). Коэффициент усиления по напряжению, полученный в этом SHT при комнатной температуре, чрезвычайно высок, учитывая, что коэффициент усиления, полученный многими другими методами изготовления SET / SHT, меньше единицы. Даже если их коэффициент усиления превышает единицу, он не превышает 2 и, кроме того, находится далеко от работы при комнатной температуре (Ono et al. , 2000).

    Подавление усиления SET / SHT в традиционных методах изготовления объясняется двумя основными факторами. Одним из них является использование толстого оксида затвора для реализации структуры устройства (Kim et al., 2001; Nuryadi et al. , 2003) или уменьшить емкость SET / SHT, стремясь к более высокой рабочей температуре, потому что размер точки недостаточно мал в их процессах (Ono et al. , 2000; Takahashi et al. , 1995 ; Uchida et al., , 2001). Другая проблема — это специфическая проблема в SET / SHT с электродом затвора, который не закрывает точку канала. Эти SET / SHT часто изготавливаются для реализации многопозиционных SET / SHT (Kitade et al., 2005; Горман и др. , 2005). В этих SET / SHT расстояние между электродами затвора от канала зависит от точности литографии затвора.

    Таким образом, они часто имеют меньшую емкость затвора, чем каналы, канал которых полностью закрыт затвором, из-за их небольшого покрытия затвор-точка и относительно большого расстояния от затвора до точки. По этим причинам существовал большой компромисс между рабочей температурой, функциональностью и усилением напряжения в SET / SHT. Кроме того, эти традиционные методы также страдали от относительно большой емкости туннельного перехода (исток / сток) из-за большой площади перехода.

    С другой стороны, в процессе обработки сверхузких каналов, как площадь стыка, так и размер точки могут быть значительно уменьшены; поэтому емкости истока и стока стали значительно меньше, чем когда-либо прежде. Благодаря этому преимуществу можно использовать сильно масштабированный оксид затвора и увеличить емкость затвора для достижения высокого усиления при сохранении рабочей температуры в этом процессе (Harata et al. , 2005).

    N-канальный полевой транзистор режима повышения логического уровня

    % PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > транслировать application / pdf

  • BSS138 — N-канальный полевой транзистор для режима повышения логического уровня
  • на полу
  • Эти полевые транзисторы с N-канальным режимом расширения производятся с использованием запатентованной onsemi технологии DMOS с высокой плотностью ячеек. Эти продукты были разработаны для минимизации сопротивления в открытом состоянии и обеспечения прочной, надежной и быстрой коммутации.Эти продукты особенно подходят для низковольтных и слаботочных приложений, таких как управление небольшими серводвигателями, драйверы затворов на полевых МОП-транзисторах и другие коммутационные приложения.
  • 2021-08-05T11: 50: 41 + 02: 00BroadVision, Inc.2021-08-05T11: 51: 12 + 02: 002021-08-05T11: 51: 12 + 02: 00Acrobat Distiller 19.0 (Windows) uuid: 94a1eb48- 83d1-42e3-92c9-b1983978116fuuid: c69076ad-0d00-4adb-bab0-ce4004da409e конечный поток эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > транслировать HTVKn, 7) Ќ) ୃ @ IV} L`V (,) ӚZ ߹ g * \ * ~ SJ6 [𥳐 iBKDE ڵ ܃ J4Uh {囶 |] K} Y ~ / o [vGq #; tU-LZQp ~ wb, ֜垴 $ bOBϩM [#WR cļO ge] ܞ t8FѬ; lFO`1td j % 1rm «-v> u;!.xMc_W0u «k}» ֤ u5ZMK = # 0Y \ * N7 sd: C> J ߲ R {MfIuP) PZn [L ~ 5g ~

    p (ntMtstP JA {O96> / Њ% (cNXM-`5L hdi / Wg! 84Gs54

    nanoHUB.org — 404

    Поиск Поиск
    • Авторизоваться
    • Помощь
    • Поиск
    • На главную
    • Ресурсы
      • Что нового
      • Зачем публиковать?
      • Загрузить / опубликовать
      • Анимации
      • Компактные модели
      • Курсы
      • Наборы данных
      • Загрузки
      • Онлайн-презентации
      • Презентационные материалы
      • Документы
      • серии
      • Учебные материалы
      • 0005000500050005000500050005
      • Темы
      • Теги
      • Цитаты
      • События
      • Обратная связь
      • Разработка инструментов
    • nanoHUB-U
      • Физика электронных полимеров
      • Биологическая инженерия: принципы разработки ячеек
      • Термическое сопротивление в электронных устройствах (краткий курс)
      • Основы нанотранзисторов, 2-е издание Основы нанотранзисторов, 2-е издание
      • Часть B: квантовый транспорт, 2-е издание
      • Основы наноэлектроники, Часть A: Основные концепции, 2-е издание
      • Биоэлектричество (edX)
      • Органические электронные устройства
      • Нанофотонное моделирование, 2-е издание
      • Введение в материаловедение аккумуляторных батарей
      • Принципы электронных нанобиосенсоров
      • Термоэлектричество: от атомов к системам
      • От атомов к материалам: теория прогнозирования и моделирование
      • Тепловая энергия в наномасштабе
      • Основы атомной силовой микроскопии, часть 2
      • 9000 Микроскопия, Часть 1
    • Партнеры
    • Сообщество
      • Проекты
      • Группы
      • События
    • Около
      • Что такое нанотехнологии?
      • Примечательные цитаты
      • Показатели использования
      • В новостях
      • Информационный бюллетень
      • Пресс-кит
      • Свяжитесь с нами
    • Поддержка
      • FAQ
      • Список желаний
      • 0005 Сообщите о проблеме
      • Сообщите о проблеме
      • Примите участие в опросе
      Меню Главная / Ошибка

      Ошибка (404)

      Не найдено.

      • Политика конфиденциальности
      • Политика в отношении злоупотреблений
      • Лицензионное содержание
      • Нарушение авторских прав

      Авторские права 2021 NCN

      Поиск Поиск

      близкий поиск

      A Высокопроизводительные полевые транзисторы с U-каналом с прямоугольным затвором и расстоянием всего 2 нм между контактами истока и стока

      Nanoscale Res Lett.2019; 14: 43.

      , 1 , 1 , 1 и 2

      Си Лю

      1 Школа информационных наук и инженерии, Шэньянский технологический университет, Шэньян, 110870 Китай

      Zhengliang Ся

      1 Школа информационных наук и инженерии, Шэньянский технологический университет, Шэньян, 110870 Китай

      Сяоши Цзинь

      1 Школа информационных наук и инженерии, Шэньянский технологический университет, Шэньян, 110870 Китай

      Jong -Ho Lee

      2 Школа EECS Eng.и ISRC (Межуниверситетский центр исследований полупроводников), Сеульский национальный университет, Шинлим-Донг, Кванак-Гу, Сеул, 151-742 Корея

      1 Школа информационных наук и инженерии, Технологический университет Шэньяна, Шэньян, 110870 Китай

      2 Школа EECS Eng. и ISRC (Межуниверситетский центр исследований полупроводников), Сеульский национальный университет, Шинлим-Донг, Кванак-Гу, Сеул, 151-742 Корея

      Автор для переписки.

      Поступило 15.10.2018 г .; Принята в печать 27 января 2019 г.

      Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями Международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе. при условии, что вы должным образом укажете автора (авторов) и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения.
      Заявление о доступности данных

      Мы включили заявление о доступности данных и материалов для нас и от имени наших соавторов в раздел «Конкурирующие интересы».Все имеющиеся данные и материалы являются оригинальной работой.

      Abstract

      В данной статье предлагается новый высокопроизводительный полевой транзистор с U-канальным каналом с прямоугольным затвором (RGUC FET) для экстремального интегрированного расстояния между контактами истока и стока. Полевой транзистор RGUC обеспечивает почти идеальные подпороговые характеристики до тех пор, пока расстояние между контактами исток / сток (S / D) не уменьшится до 2 нм. В отличие от других полевых транзисторов с углублениями или U-образных каналов, контакты затвора не нужно формировать в углубленной области, а только в слое прокладки для изоляции между двумя вертикальными частями по обе стороны от U-образного канала.Его конструктивные преимущества позволяют применять его для изготовления интегральных схем с более высокой степенью интеграции для экстремальных расстояний между контактами истока и стока. Электрические свойства полевого транзистора RGUC были тщательно исследованы путем изучения влияния конструктивных параметров, включая горизонтальное расстояние между S / D-контактами, высоту расширения S / D-области, а также толщину и материал оксидного слоя затвора. Электрические свойства полевого транзистора RGUC подтверждены квантовым моделированием.По сравнению с другими полевыми транзисторами с несколькими затворами, не связанными с планированием каналов, новый полевой транзистор RGUC подходит для более высокой интеграции.

      Ключевые слова: Прямоугольный U-канал затвора, Экстремальная интеграция, Квантовое моделирование

      Введение

      В качестве одного из наиболее многообещающих устройств, используемых в наноразмерных интегральных схемах (IC), полевой транзистор без перехода (JL FET), который обладает замечательными электрическими характеристиками по сравнению с обычными полевыми транзисторами на основе оксидов металлов (MOS), помимо простоты изготовления, которые были глубоко изучены в последние годы [1–4].В то время как увеличение напряжения затвора формирует область накопления в канале, что приводит к увеличению тока [5], введение полевого транзистора с несколькими затворами (MG) усилило управляемость током исток-сток от напряжения затвора, в результате к гораздо лучшим подпороговым свойствам устройства. Беспереходные полевые транзисторы с несколькими затворами (JL MG) также широко изучаются в течение многих лет [6–8]. Хотя полевой МОП-транзистор с вертикальным каналом и затвором демонстрирует почти идеальные характеристики I V с радиусом всего несколько нанометров, его вертикальный канал делает контакт истока и стока не может быть изготовлен в одном слое, что делает компоновку ИС несовместимой с технологией планировщика.Более того, поскольку производство полупроводников было вынуждено уменьшить длину канала до менее 10 нм, полевые транзисторы MG снова столкнулись с эффектом короткого канала [9–11]. Чтобы преодолеть эффект короткого канала, полевые МОП-транзисторы с утопленным каналом стали горячей темой в последние годы [12–16]. Работа по моделированию и моделированию полевых МОП-транзисторов с утопленным каналом также проводится всесторонне [17–20]. MOSFET с утопленным каналом имеет планировочные вертикальные части канала под контактами истока и стока и горизонтальную плоскую часть канала.Фактически это увеличило эффективную длину канала по сравнению с обычными полевыми МОП-транзисторами, имеющими только горизонтальный планарный канал. Для устройства с одинаковым расстоянием между контактами истока и стока оно может быть более невосприимчивым к эффекту короткого канала по сравнению с обычными полевыми МОП-транзисторами с плоским каналом; однако экспериментальные данные показывают, что подпороговое колебание полевых МОП-транзисторов с каналом углубления не может реализовать идеальное подпороговое колебание с эффективной длиной канала менее 100 нм. Это связано с тем, что, хотя длина канала увеличивается, управляемость затвором не усиливается, как у полевых транзисторов MG.Следует отметить, что вместо длины канала лучше определять новый ключевой геометрический параметр, связанный с описанием интегрирования. Расстояние между контактами истока и стока более реалистично и эффективно, потому что конечной целью конструкции устройства наномасштаба является реализация наилучших характеристик в ограниченной заданной площади кристалла, а фактический размер устройства зависит от ширины канала. и расстояние между контактами истока и стока. Чтобы объединить преимущества полевых транзисторов MG и полевых МОП-транзисторов с утопленным каналом, в нашей предыдущей работе мы предложили седлообразные полевые транзисторы с затвором и U-образным каналом [21–23], что способствует управляемости затвором в горизонтальной части канала. утопленного канала от плоского одностворчатого к трехмерному трехзатворному.После этого мы модернизируем эту трехмерную функцию тройного затвора, сформированную не только в горизонтальной части канала, но и в обеих частях вертикального канала. Это устройство называется полевыми транзисторами с U-образным каналом с H-образным затвором, а утопленный канал также модернизирован до 3-D U-образного трубчатого канала [24]. Как упоминалось выше, конечной целью разработки устройства наномасштаба является достижение наилучшей производительности в ограниченной области чипа посредством оптимизации. Чтобы реализовать оптимизированное высокопроизводительное устройство, необходимо хорошо продумать и спроектировать как структуру затвора, так и соответствующую структуру канала.Также следует учитывать сложность изготовления. Упомянутые выше устройства, такие как устройство с утопленным каналом, ранее предложенные седловые полевые транзисторы и полевые транзисторы HGUC, имеют общую основу, многослойная структура из оксида затвора / затвора / оксида затвора должна быть хорошо сформирована в небольшой углубленной области. Эта структурная особенность ограничивает дальнейшее продвижение интеграции. Кажется, что хороший способ способствовать интеграции — это упростить конструктивную функцию в углубленной области и одновременно сохранить возможность управления затвором для вертикальной и горизонтальной части U-образного канала.Чтобы реализовать эти особенности и функции устройства, в этой статье мы предложили новый полевой транзистор с U-каналом с прямоугольным затвором (RGUC FET) для экстремального интегрированного расстояния между контактами истока и стока. Он имеет U-образный канал, который может увеличить длину канала эффекта без увеличения расстояния между контактами истока и стока. По сравнению с другими полевыми транзисторами с U-образным каналом, полевой транзистор RGUC имеет более простую внутреннюю структуру в углубленной области U-образного канала; после этого можно реализовать более простое изготовление во внутренней части углубленной области и меньшее расстояние между контактами истока и стока (более высокая степень интеграции).Предлагаемая структура имеет лучшую управляемость затвором и меньший ток обратной утечки, сопровождаемый более высоким отношением I ON / I OFF . Расстояние между контактом истока и стоком можно уменьшить до менее 2 нм. Все электрические свойства анализируются с помощью квантового моделирования.

      Методы

      На рисунке a представлен схематический трехмерный вид полевого транзистора RGUC, а на рисунках с b по d показаны профили устройства в плоскостях A, B, C и D, показанных на рисунке.а. W — ширина корпуса кремния, t b — толщина корпуса кремния, h in — внутренняя высота прокладки в углубленной области, h ex — высота области истока / стока, t ox — это толщина оксида затвора вокруг кремниевого тела, а t sp — толщина прокладки изоляционного слоя, нанесенного в углубленную область U-образный канал, равный расстоянию между контактом истока и контактом стока.

      a Трехмерный схематический вид полевого транзистора RGUC. b Профили устройства разрезают плоскость A a . c Профили устройства разрезают плоскость B a . d Профили устройства в плоскости C a

      Поскольку толщина кремниевого тела меньше 6 нм, в этой статье вместо классического моделирования вводится квантовое моделирование для получения более точных результатов моделирования. Все симуляции выполняются с использованием TCAD моделирования устройства SILVACO Atlas 3D с использованием модели подвижности, зависящей от концентрации, модели Шокли-Рида-Холла, зависящей от концентрации, модели рекомбинации Оже, модели сужения запрещенной зоны, стандартной модели межзонного туннелирования и Модель квантового потенциала Бома [25].Параметры моделирования приведены в таблице. Две вертикальные части корпуса на самом деле представляют собой кубы с четырьмя сторонами, верхние поверхности которых покрыты областью истока или стока, а нижняя поверхность соединена с горизонтальной частью корпуса. Внешние тройные стороны вертикальных частей корпуса окружены оксидом затвора и прямоугольным контактом затвора, а другая внутренняя сторона соединена с внутренней прокладкой в ​​углубленной области. Все четыре стороны горизонтального корпуса окружены оксидом затвора и прямоугольным контактом затвора.Можно предположить, что прямоугольный затвор имеет сильную способность управления полевым эффектом как для горизонтального корпуса, так и для двух вертикальных частей из-за особенностей конструкции, упомянутых выше. И внутренняя прокладка фактически увеличила расстояние кратчайшего пути между контактами истока и стока в кремнии, что могло бы устранить эффект короткого канала, которого нельзя избежать для устройств с несколькими затворами с функциями плоского канала. По сравнению с другими устройствами с трехмерным каналом [21–24], предлагаемая структура не требует формирования затвора в углубленной области, что в значительной степени снижает сложность внутренней структуры углубленной области.

      Таблица 1

      Выбор параметров для RGUC FET в моделировании TCAD

      906 bv )
      Параметры Значения
      Ширина корпуса ( W ) 6 нм
      6 нм
      6 нм
      Горизонтальная толщина корпуса ( t bh ) 6 нм
      Толщина прокладки между S / D областью ( t sp ) 0 .От 5 до 4 нм
      Длина затвора по вертикали ( t затвор ) от 8 до 16 нм
      Толщина оксидного слоя затвора ( t ox ) 1 нм
      Высота выступа прокладки между областью S / D ( h ex ) от 0 до 10 нм
      Внутренняя высота прокладки в области углубления ( h в ) от 3 до 10 нм
      Концентрация легирования ( N D ) 1 × 10 17 см −3 до 2 × 10 18 см −3
      Напряжение сток-исток ( В DS ) от 0 до 1.0 В
      Напряжение затвор-исток ( В GS ) от 0,4 до 1,0 В

      Результаты и обсуждения

      Модель квантового потенциала Бома (BQP) вычисляет зависимый от положения член потенциальной энергии используя вспомогательное уравнение, полученное из интерпретации Бома квантовой механики. Эта модель основана на чистой физике и позволяет модели аппроксимировать квантовое поведение различных классов устройств, а также ряда материалов.Затем влияние квантового ограничения на характеристики устройства, включая характеристики I V , будет рассчитано с хорошим приближением. Предыдущие исследования показали, что ток утечки затвора незначителен для случаев, когда толщина оксида превышает 0,5 нм [7, 26].

      На рисунке a показано сравнение характеристик напряжения затвор-исток ток сток-исток ( I DS В GS ) полевого транзистора RGUC с разными значениями ч, за с как для логарифмических, так и для логарифмических значений. линейные шкалы.На рисунке b показано сравнение подпороговых колебаний (SS) и отношения I ON / I OFF полевого транзистора RGUC с различными значениями h за с. С увеличением h в вертикальный путь всего канала от истока до стока непрерывно увеличивается, затем самая короткая эффективная длина канала постепенно увеличивается, а эффект короткого канала постепенно ослабевает и, наконец, устраняется. SS может реализовать почти идеальное значение 65 мВ / дек для ч в достигает 10 нм.Отношение I ON / I OFF также увеличивается примерно в 35 раз за h в увеличивается с 2 до 10 нм из-за непрерывного уменьшения SS. Удлиненный h в увеличивает расстояние кратчайшего пути от истока до стока с 6 до 22 нм, что равно 2 h в + t sp и эквивалентно эффективному каналу длина предлагаемой конструкции. На рисунках c и d показано двумерное распределение концентрации электронов в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с 2 нм и 10 нм h в , соответственно.Для случая 2 нм самая высокая концентрация электронов в горизонтальной области тела составляет примерно 10 12 см −3 , а расстояние между контактом истока / стока и горизонтальной областью тела очень короткое. После этого смещение истока / стока серьезно влияет на распределение электронов в горизонтальной области тела; Решение состоит в том, чтобы удлинить вертикальный канал, который удерживает исток / сток от горизонтальной части тела. Для случая 10 нм на рис. D мы можем видеть, что самая высокая концентрация электронов в горизонтальной области тела уменьшена до 10 9 см -3 , и это делает более идеальной полностью обедненную область для выключенное состояние, которое обеспечивает гораздо более низкий уровень тока утечки.

      a Сравнение характеристик I DS V GS полевого транзистора RGUC с различными значениями h за с как в логарифмической, так и в линейной шкалах. b Сравнение подпороговых колебаний (SS) и I ON / I OFF отношения RGUC FET с разными h за с. c Двумерное распределение концентрации электронов в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с длиной волны 2 нм h in . d Двумерное распределение концентрации электронов в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с 10 нм h дюйм

      На рисунке a показано сравнение I DS V GS характеристики полевого транзистора RGUC с разными значениями t sp s как в логарифмическом, так и в линейном масштабах. На рисунке b показано сравнение подпороговых колебаний (SS) и отношения I ON / I OFF полевого транзистора RGUC с различными значениями t sp s.С уменьшением t sp расстояние между контактами истока и стока также постоянно уменьшается. Ток утечки в основном вызывается межзонным туннельным током. Вероятность туннелирования пропорциональна изгибу зон, который может быть эквивалентен напряженности электрического поля в определенной точке. Полный туннельный ток — это сумма туннельного тока, генерируемого в каждой точке области тела.

      a Сравнение характеристик I DS V GS RGUC FET с различными t sp s как в логарифмической, так и в линейной шкалах. b Сравнение подпороговых колебаний (SS) и соотношения I ON / I OFF RGUC FET с различными значениями t sp s. c Двумерное распределение электрического поля в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с 2 нм t sp . d Двумерное распределение электрического поля в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с длиной волны 0,5 нм t sp . e Двумерное распределение концентрации электронов в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с 0.5 нм t sp

      На рисунках c и d показано двухмерное распределение электрического поля в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с 2 нм и 0,5 нм t sp , соответственно. Для большей толщины прокладки или меньшего напряжения смещения сток-исток ( В, , DS ) напряженность электрического поля на границе раздела между прокладкой в ​​углубленной области недостаточно высока для создания большого количества тока утечки. Наибольшая напряженность электрического поля возникает около границы раздела между оксидом затвора и вертикальной частью тела, что определяется V GD .Однако, если расстояние от истока до стока уменьшается до менее 1 нм (меньше, чем толщина оксида затвора), наибольшая напряженность поля появляется около границы раздела между прокладкой в ​​углубленной области и двумя вертикальными частями корпуса. Можно видеть, что когда t sp меньше 1 нм, для большего В DS (например, 0,5 В) ток утечки почти не зависит от смещения затвора и в основном определяется В ДС .SS практически независим с t sp и поддерживает почти идеальное значение 65 мВ / дек для h в случае = 10 нм до тех пор, пока t sp не станет меньше 2 нм. Соотношение I ON / I OFF поддерживает соотношение 10 8 до t sp = 2 нм и серьезно ухудшается для t sp менее 2 нм из-за тока утечки увеличение, вызванное сильным электрическим полем, появляется около границы раздела между прокладкой в ​​углубленной области и двумя вертикальными частями тела.Напряженность электрического поля кремниевого тела в области тела полностью увеличена для корпуса 0,5 нм t sp . На рисунке e показано двумерное распределение концентрации электронов в кремниевом корпусе в выключенном состоянии для устройства с длиной волны 0,5 нм t sp . По сравнению с рис. D ясно видно, что концентрация электронов в горизонтальной области тела увеличена с 10 9 до 10 10 см −3 . Кроме того, размерность 0.Толщина прокладки 5 нм очень близка к толщине одномолекулярного слоя, что может в некоторой степени вызвать нарушение изоляционных свойств промежуточного слоя. По причинам, упомянутым выше, рекомендуется, чтобы размер t sp составлял 2 нм для конструкции с высокой степенью интеграции и низким уровнем утечек и низким энергопотреблением.

      На рисунке показаны I DS V DS предлагаемого полевого транзистора RGUC с оптимизированной структурой под разными углами.

      I DS В Характеристика DS предлагаемого полевого транзистора RGUC с оптимизированными параметрами устройства

      В Значения GS , SS которых составляет около 63 мВ / дек, и I. ВКЛ / I ВЫКЛ: 10 9 ~ 10 10 .Ток насыщения увеличивается с увеличением В, , , GS, .

      Выводы

      В этой статье предлагается новый полевой транзистор RGUC с высокой степенью интеграции и высокой производительностью, который представляет низкие подпороговые колебания и более высокое соотношение I ON / I OFF . Расстояние между контактами исток / сток (S / D) может быть уменьшено до 2 нм с почти идеальными характеристиками, такими как SS, ток обратной утечки и соотношение I ON / I OFF .Все электрические свойства моделируются с помощью квантовых моделей, чтобы обеспечить более точные результаты.

      Благодарности

      Эта работа поддержана Фондом естественных наук провинции Ляонин № 201602541, № 201602546.

      Финансирование

      Эта работа поддержана Фондом естественных наук провинции Ляонин № 201602541, № 201602546.

      Доступность данных и материалов

      Мы включили заявление о доступности данных и материалов для себя и от имени наших соавторов в раздел «Конкурирующие интересы».Все имеющиеся данные и материалы являются оригинальной работой.

      Заявления

      Мы прочитали руководство Springer Open по конкурирующим интересам и включили заявление обо всех финансовых и нефинансовых конкурирующих интересах для себя и от имени наших соавторов в раздел «Конкурирующие интересы».

      Аббревиатуры

      910r6 9018 D Высота удлинения области 9018 D Высота расширения 910 h дюйм 90L606 9L606 9L606 9 Бесконтактный 1 1 90/60 9 1081 т bh 1 т ox 6 9606 9 V GS
      BQP Квантовый потенциал Бома
      FET Полевой транзистор
      h ex Внутренняя высота прокладки в углублении
      I ВЫКЛ Отключено
      I ВКЛ Включено
      MOS Металлооксидный полупроводник
      N D Концентрация легирования
      RGUC Прямоугольный затвор U-образный канал U-образный канал
      SS Подпороговое колебание
      Толщина корпуса по горизонтали
      т bv Толщина корпуса по вертикали
      т затвор Длина затвора по вертикали Толщина оксидного слоя затвора
      t sp Толщина прокладки между областью S / D
      V DS Напряжение сток-исток
      Напряжение затвор-исток
      W Ширина корпуса

      Вклад авторов

      Все разделы рукописи предоставлены всеми авторами.Все авторы прочитали и одобрили окончательную рукопись.

      Примечания

      Информация для авторов

      Си Лю получил степень бакалавра наук. и М.С. степени по прикладной математике Даляньского технологического университета, Далянь, Китай, в 2004 и 2006 годах, соответственно. Получила степень доктора философии. Получила степень в области полупроводников и инженерии дисплеев в Национальном университете Кёнпук, Тэгу, Корея, в 2010 году. Она работает в Школе информатики и инженерии Шэньянского технологического университета в должности доцента.Ее исследовательские интересы включают разработку и оптимизацию современных интегральных схем и полупроводниковых устройств.

      Чжэнлян Ся в настоящее время работает над M.S. степень в Школе информатики и инженерии Шэньянского технологического университета, Шэньян, Китай. Его исследовательские интересы включают разработку и оптимизацию полевых МОП-транзисторов и туннельных полевых транзисторов.

      Сяоши Цзинь получил степень бакалавра наук. степень по физике Даляньского технологического университета, Далянь, Китай, в 2004 г.Степень S. по физике, полученная в Национальном университете Кёнсан, Чинджу, Корея, в 2006 году и докторская степень. получил степень в области полупроводников и инженерии дисплеев в Национальном университете Кёнпук, Тэгу, Корея, в 2010 году. Он работает в Школе информатики и инженерии Шэньянского технологического университета в должности доцента. Он является автором или соавтором более 30 статей, опубликованных в реферируемых журналах, и получил более 20 патентов в этой области. Его исследовательские интересы включают физику полупроводников и моделирование устройств, разработку передовых полупроводниковых устройств и ИС.

      Ли Чон-Хо получил докторскую степень. Получил степень в Сеульском национальном университете в Сеуле в 1993 году по специальности электронная инженерия. В 1994 году он работал в Школе электротехники Университета Вонкванг, Иксан, Чонпук, Корея. В 2002 году он перешел в Национальный университет Кёнпук, Тэгу, Корея, где стал профессором школы электротехники и компьютерных наук. С сентября 2009 года он был профессором школы электротехники Сеульского национального университета, Сеул, Корея. С августа 1998 г. по июль 1999 г. он работал в Массачусетском технологическом институте в Кембридже в качестве постдокторанта.Он является автором или соавтором более 200 статей, опубликованных в реферируемых журналах, и более 280 статей на конференциях, связанных с его исследованиями, и получил более 100 патентов в этой области. Его исследовательские интересы включают технологию CMOS, устройства энергонезависимой памяти, тонкопленочные транзисторы, датчики, биоинтерфейс и нейроморфные технологии. Он был членом подкомитета IEDM, членом ITRS ERD, генеральным председателем IPFA2011 и председателем корейского отделения IEEE EDS. В 2006 году он был удостоен награды «Ученый за этот месяц» за вклад в разработку практических высокоплотных / высокопроизводительных трехмерных наноразмерных КМОП-устройств.Он изобрел седло FinFET (или углубление FinFET) для ячеек DRAM и цепочку ячеек флэш-памяти NAND с виртуальным истоком / стоком, которые применялись для массового производства.

      Конкурирующие интересы

      Все авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

      Примечание издателя

      Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и ​​принадлежностей организаций.

      Ссылки

      1. Чжан К., Чжао В., Сибо А. Низкопороговый туннельный транзистор с качанием.IEEE Electron Device Lett. 2006. 27 (4): 297–300. DOI: 10.1109 / LED.2006.871855. [CrossRef] [Google Scholar] 2. Гундапанени С., Гангули С., Коттантхараил А. Объемный планарный беспереходный транзистор (BPJLT): привлекательная альтернатива устройствам для масштабирования. IEEE Electron Device Lett. 2011. 32 (3): 261–263. DOI: 10.1109 / LED.2010.2099204. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Чо С., Ким К.Р., Пак Б.Г. и др. ВЧ характеристики и извлечение параметров слабого сигнала из кремниевых полевых МОП-транзисторов с нанопроволокой. IEEE Trans Electron Devices.2011. 58 (5): 1388–1396. DOI: 10.1109 / TED.2011.2109724. [CrossRef] [Google Scholar] 4. Колинг Дж. П., Ли К. В., Афзалян А. и др. Нанопроволочные транзисторы без переходов. Nat Nanotechnol. 2010. 5 (3): 225–229. DOI: 10.1038 / nnano.2010.15. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 5. Гундапанени С., Баджадж М., Панди Р.К. и др. Влияние межполосного туннелирования на беспереходные транзисторы. IEEE Trans Electron Devices. 2012. 59 (4): 1023–1029. DOI: 10.1109 / TED.2012.2185800. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Рёснер В., Ландграф Э., Кретц Дж. И др.Наноразмерные FinFET для приложений с низким энергопотреблением. Твердотельный электрон. 2004. 48 (10–11): 1819–1823. DOI: 10.1016 / j.sse.2004.05.019. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Лю X, Wu M, Jin X и др. Имитационное моделирование глубоких наноразмерных короткоканальных КНИ FinFET-транзисторов без перехода со структурами с тремя или двумя затворами. J. Comput Electron. 2014. 13 (2): 509–514. DOI: 10.1007 / s10825-014-0562-3. [CrossRef] [Google Scholar] 8. Барро С., Бертом М., Кокванд Р. и др. Масштабирование полевого МОП-транзистора без триггерного перехода с длиной затвора до 13 нм.IEEE Electron Device Lett. 2012. 33 (9): 1225–1227. DOI: 10.1109 / LED.2012.2203091. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Джин Икс, Лю Х, Ли Дж.Х. и др. Моделирование подпороговых характеристик полевых транзисторов металл-оксид-кремний с короткоканальным цилиндрическим цилиндрическим затвором и нанопроволокой с окружающим затвором. Phys Scr. 2014. 89 (1): 169–174. DOI: 10.1088 / 0031-8949 / 89/01/015804. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Ху Г, Сян П, Дин Зи и др. Аналитические модели электрического потенциала, порогового напряжения и подпорогового колебания беспереходных транзисторов с окружающим затвором.IEEE Trans. Электронные устройства. 2014. 61 (3): 688–695. DOI: 10.1109 / TED.2013.2297378. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Дутта П., Шьямал Б., Моханкумар Н. и др. Двухмерная модель порогового напряжения на основе поверхностного потенциала для короткоканальных асимметричных сильно легированных DG-МОП-транзисторов. Int J Numer Modell Electron Networks Devices Fields. 2014. 27 (4): 682–690. DOI: 10.1002 / JNM.1971. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Park S, Son Y, Han S, Kim I, Roh Y. Асимметричное образование остатков травления и их роли в транзисторе с внутренним затвором-утопленным каналом-решеткой.J Vac Sci Technol. 2015; 33: 021209. DOI: 10.1116 / 1.4914905. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Кумар А., Гупта Н., Чауджар Р. Исследование рабочих характеристик TCAD RF для полевого МОП-транзистора с утопленным каналом с прозрачным затвором. Microelectron J. 2016; 49: 36–42. DOI: 10.1016 / j.mejo.2015.12.007. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Кумар А., Гупта Н., Чауджар Р. Оценка усиления мощности MOSFET-транзистора с прозрачным затвором (TGRC) на основе ITO для радиочастотных / беспроводных приложений. Сверхрешетка Microst. 2016; 91: 290–301. DOI: 10.1016 / j.spmi.2016.01.027. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Кумар А., Трипати М., Чауджар Р. Всесторонний анализ полевого МОП-транзистора с каналом без перехода и утопленного канала на основе черного фосфора толщиной менее 20 нм для аналоговых / радиочастотных приложений. Сверхрешетка Microst. 2018; 116: 171–180. DOI: 10.1016 / j.spmi.2018.02.018. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Кумар А., Трипати М., Чауджар Р. Проблемы надежности In2O5Sn затворного электрода с утопленным канальным МОП-транзистором: влияние зарядов ловушки на границе раздела и температуры. IEEE Trans Electron Devices. 2018; 65 (3): 860–866. DOI: 10.1109 / TED.2018.2793853. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Кан И, Ким Х, Ли Дж, Сон И, Пак Б., Ли Дж, Шин Х. Моделирование эффекта истощения поликремния в полевых МОП-транзисторах с утопленными каналами. IEEE Electron Device Lett. 2009. 30 (12): 1371–1373. DOI: 10.1109 / LED.2009.2034278. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Kwon Y, Kang Y, Lee S, Park B, Shin H. Аналитическая модель порогового напряжения полевых МОП-транзисторов с утопленным каналом. J Semicond Sci. 2010. 10 (1): 61–65. DOI: 10.5573 / JSTS.2010.10.1.061. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Ленка А., Мишра С., Мишра С., Бханджа У, Мишра Г.Подробное исследование полевого МОП-транзистора с трапециевидным каналом, модулированным работой выхода. Сверхрешетка Microst. 2017; 111: 878–888. DOI: 10.1016 / j.spmi.2017.07.043. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Сингх М., Мишра С., Моханти С., Мишра Г. Анализ производительности КНИ МОП-транзистора с прямоугольным утопленным каналом. Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol. 2016; 7: 015010. DOI: 10.1088 / 2043-6262 / 7/1/015010. [CrossRef] [Google Scholar] 21. Джин Икс, Ву М, Лю Х, Чуай Р., Квон Х. К., Ли Дж. Х., Ли Дж. Х. Новые высокопроизводительные полевые транзисторы без перехода с седловидным затвором.J. Comput Electron. 2015; 14: 661–668. DOI: 10.1007 / s10825-015-0702-4. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Джин Икс, Ву М, Лю Х, Ли Дж.Х., Ли Дж.Х. Оптимизация полевых транзисторов без седлового перехода для чрезвычайно высокой интеграции. J. Comput Electron. 2016; 15: 801–808. DOI: 10.1007 / s10825-016-0830-5. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Цзинь Икс, Гао И, Ян Г, Ся З, Лю Х, Ли Дж. Новый полевой транзистор без перемычек с малой утечкой и вспомогательным затвором. Модель Int J Numer. 2019; 32: e2465. DOI: 10.1002 / jnm.2465. [CrossRef] [Google Scholar] 24.Джин Икс, Ян Джи, Лю Х, Ли Дж.Х., Ли Дж.Х. Новый высокопроизводительный полевой транзистор без перехода с U-образным каналом с H-образным затвором. J. Comput Electron. 2017; 16: 287–295. DOI: 10.1007 / s10825-017-0966-у. [CrossRef] [Google Scholar]

      25. Руководство пользователя SILVACO International 2018 ATLAS. 2018.

      26. Чанг Л., Ян К., Йео Й, Полищук И., Лю Т., Ху С. Прямой туннельный ток утечки затвора в полевых МОП-транзисторах с двойным затвором и сверхтонких корпусах. IEEE Trans Electron Devices. 2002. 49 (12): 2288–2295. DOI: 10.1109 / TED.2002.807446. [CrossRef] [Google Scholar]

      Прикладных наук | Бесплатный полнотекстовый | Драйвер активного затвора на основе паразитов, улучшающий процесс включения 1.7 кВ SiC Power MOSFET

      В настоящее время силовые модули MOSFET из карбида кремния (SiC) среднего напряжения (MV) используются в значительном количестве энергетических приложений, включая энергетические системы электромобилей и небольшие возобновляемые электростанции, основанные на фотоэлектрических элементах [1]. Производители MV SiC MOSFET предоставляют новые устройства с коротким временем переключения, которое исчисляется сотнями наносекунд, что связано с низкими энергиями переключения и потерями мощности. С другой стороны, высокие значения тока стока и напряжения сток-исток этих устройств являются причиной значительных значений di / dt и dv / dt, наблюдаемых в силовых цепях.Паразитные элементы при больших отношениях di / dt и dv / dt вызывают колебания и выбросы [2,3,4]; Таким образом, быстродействующие SiC MOSFET с быстрым переключением являются источником проблем с электромагнитными помехами [5,6,7]. Есть много способов подавить эти негативные эффекты, например, уменьшив скорость переключения за счет увеличения сопротивления затвора, но цена выше потерь мощности. Другая возможность — активное управление затвором, обсуждаемое в этой статье. Обычный драйвер затвора (CGD) с фиксированным напряжением затвора и сопротивлением не имеет динамического управления током затвора устройства.Однако некоторые драйверы могут управлять током затвора в разомкнутом контуре, изменяя сопротивление затвора в определенные моменты цикла переключения [8]. Ряд драйверов затвора с разомкнутым контуром зависят от фиксированного значения сигнала обратной связи, что делает их непрактичными в большинстве применений преобразователей мощности. Тем не менее, наиболее предпочтительным способом является использование активного драйвера затвора (AGD), который регулирует сопротивление затвора или напряжение затвора в замкнутом контуре. В литературе представлен ряд топологий AGD [9,10,11,12,13,14,15].Они отличаются от защиты от короткого замыкания [12] посредством сигналов обратной связи и, особенно, учитывая основное назначение этих схем, улучшением коммутационных характеристик транзисторов [15]. Таким образом, AGD можно использовать во многих приложениях для решения часто встречающихся проблем в силовой электронике. Некоторые из упомянутых проблем — это защита от короткого замыкания, выбросы v DS и i D или колебания, вызванные коротким периодом переключения из-за паразитов. В [9] активное управление напряжением затвор-исток было реализовано посредством подачи напряжения на затвор: в цикле включения AGD опускает потенциал затвора на землю, чтобы снизить отношение di / dt.Целью этого исследования было снижение скорости переключения SiC MOSFET на 1,2 кВ / 33 A, чтобы подавить выбросы напряжения и тока при выключении и включении соответственно. Результаты моделирования и экспериментов показали, что авторы значительно уменьшили эти негативные эффекты. С другой стороны, потери переключения были увеличены, так как отношения di / dt и dv / dt также были уменьшены. Кроме того, предложенный авторами AGD был разработан для маломощного SiC MOSFET. Улучшение траектории переключения AGD для 1.SiC MOSFET 2 кВ / 40 A обсуждался в [10], где цепь обратной связи драйвера была основана на измерении сопротивления, полученном из напряжения сток-исток v DS и тока стока i D . Затем сопротивление затвора было изменено, чтобы управлять током затвора, и, как следствие, AGD повлиял на отношения di / dt и dv / dt. Этот тип измерения трудно реализовать в SiC MOSFET MV, поскольку необходима вспомогательная схема. Кроме того, резистивные измерения тока стока и напряжения сток-исток генерируют дополнительные потери мощности, что нежелательно в приложениях силовой электроники.Тот же тип сигнала обратной связи был применен в AGD, целью которого было минимизировать влияние паразитных индуктивностей в схеме преобразователя с дискретным SiC MOSFET 1,2 кВ / 40 А [11]. Авторы использовали тот же метод, что и в [10], для модуляции значения тока затвора в заданные моменты цикла переключения. Исследованный AGD был экспериментально подтвержден авторами с помощью двухимпульсного теста и инвертора на основе SiC MOSFET с нагрузкой двигателя. AGD дал многообещающие результаты в случае циклов включения и выключения.К сожалению, авторы исследовали это решение только для малых токов, поэтому неизвестно, можно ли использовать этот подход в приложениях с большой мощностью. AGD может также использоваться в качестве защиты устройства от короткого замыкания за счет использования пояса Роговского для измерения тока и использования его в качестве сигнала обратной связи [12]. В данном конкретном случае AGD был разработан для SiC MOSFET на 1,7 кВ / 325 A MV. К сожалению, это решение приводит к дополнительным расходам к суммарной стоимости AGD, поскольку требует использования вспомогательной цепи в случае контура обратной связи.Кроме того, AGD можно использовать для выравнивания напряжения при последовательном включении полумостового модуля SiC MOSFET 1,7 кВ, что является основной темой статьи [13]. Как показали результаты испытаний с обратной связью, авторы выполнили балансировку значений напряжения сток-исток при последовательном включении по сравнению с естественным разделением напряжения. В этом случае сигнал обратной связи AGD был получен с помощью датчика напряжения переключения, основанного на RC-ветви, подключенной к стоку SiC MOSFET. Основным недостатком этого решения было то, что количество коммутационных потерь энергии увеличилось менее чем на 7.5%. Кроме того, AGD можно использовать для гашения колебаний SiC MOSFET [14]. В [14] решены проблемы с перерегулированием и звоном в корпусном диоде при индуктивной нагрузке. Предметом экспериментальных исследований в этом случае был дискретный SiC MOSFET 1,2 кВ / 36 А, который был протестирован только с шиной постоянного тока 400 В. Результаты показали, что AGD оказал влияние на колебания и успешно их подавил. Однако в случае напряжений среднего напряжения силовые модули обычно характеризуются более высокими паразитными индуктивностями и емкостями, и гораздо сложнее использовать решения с обратной связью из-за искажений в сигналах обратной связи.Более того, есть исследования с AGD для SiC MOSFET 1,7 кВ, где цепь обратной связи основана на паразитных индуктивностях истока и стока [15], а метод многоуровневого напряжения затвора используется для включения и включения. улучшение вне цикла. Применение AGD снизило энергию включения на 30% для SiC MOSFET 1,7 кВ и показало положительное влияние на характеристики EMI. Чтобы избежать больших задержек распространения, основной блок управления AGD в этой статье был основан на CPLD; увы, это усложнило все устройство.Метод многоуровневого напряжения затвора для SiC MOSFET 3.3 кВ / 450 A в разомкнутом контуре был описан в [16]. Этот метод был проверен в тесте с двумя импульсами (DPT) и в полумостовом инверторе. Энергия включения уменьшилась вдвое за счет изменения питания драйвера затвора. В результате частота ШИМ инвертора может быть увеличена вдвое. Однако драйвер затвора работает в разомкнутом контуре, что ограничивает возможности системы для переменных токов стока. Согласно обзору литературы, можно видеть, что активные драйверы затвора обсуждаются в основном для низковольтных транзисторов и транзисторов с нулевым током, в то время как драйверы для 1.Силовые модули SiC MOSFET на 7 кВ встречаются редко [12,13,15]. Кроме того, во многих статьях представлены дискретные SiC MOSFET на 1,2 кВ [9,10,11,14]. Некоторые из предложенных в документах AGD предназначены для MV; однако они имеют ограниченные возможности по току стока, что исключает их использование в большинстве приложений с высокой мощностью. Таким образом, цель данной статьи — показать результаты моделирования и экспериментальную проверку AGD для MV и сильноточного SiC MOSFET на основе силового модуля. AGD с обратной связью для SiC MOSFET 1,7 кВ / 325 A, предложенный в этой статье, использует измерение напряжения на индуктивности паразитного источника для упрощения схемы измерения.В отличие от большинства представленных в литературе AGD, этот вид обратной связи не вызывает дополнительных потерь энергии в системе. Кроме того, AGD улучшает цикл включения устройства путем манипулирования напряжением затвора для уменьшения рассеиваемой энергии за счет увеличения отношения dv DS / dt и подавления колебаний тока стока. Предлагаемое решение может использоваться практически во всех силовых SiC MOSFET, влияя на мгновенное уменьшение потерь без усиления EMI. Модуляция тока затвора достигается применением метода многоуровневого напряжения затвора.Такой подход позволяет иметь постоянное значение сопротивления затвора, что оптимизирует схему драйвера затвора для MV SiC MOSFET. Модель предлагаемого AGD была разработана без каких-либо сложных схем, таких как CPLD, как в [15], и основана на недорогих, высокоскоростных, готовых к продаже интегральных схемах. Основное предположение заключалось в том, чтобы улучшить процесс включения с помощью предлагаемого метода, поскольку включение обычно является причиной гораздо более высоких потерь мощности по сравнению с выключением в случае MV SiC MOSFET в большинстве приложений с жестким переключением [17].Предлагаемый AGD работает независимо от максимального значения тока стока в ряде рабочих условий, которые также будут обсуждаться позже в статье. Таким образом, он может быть использован в высокоэффективных электронных устройствах большой мощности среднего напряжения. Работа организована следующим образом. Раздел 2 данной статьи представляет собой теоретическое введение в методы, используемые в разработанной системе. Затем концепция драйвера проверяется на моделировании в Разделе 3. Экспериментальные результаты и сравнение AGD с CGD показаны в Разделе 4.Наконец, статья завершается в Разделе 5.

      Аналитическая модель порогового напряжения полностью истощенных (FD) полевых МОП-транзисторов со встроенным источником / стоком (Re-S / D) с задним затвором

    • 1.

      JP Colinge, ПЗУ. J. Inf. Sci. Technol. 11, 3 (2008).

      Google ученый

    • 2.

      K.K. Янг, IEEE Trans. Электронные устройства 36, 399 (1989).

      Артикул Google ученый

    • 3.

      В.П. Триведи и Дж. Fossum, IEEE Trans. Электронные устройства 50, 2095 (2003).

      Артикул Google ученый

    • 4.

      А. Чаудри и М.Дж. Кумар, IEEE Trans. Device Mater. Надежный. 4, 99 (2004).

      Артикул Google ученый

    • 5.

      C.F. Beranger, S. Denorme, P. Perreau, C. Buj, O. Faynot, F. Andrieu, L. Tosti, S. Barnola, T. Salvetat, X.Гаррос, М. Кассе, Ф. Аллен, Н. Лубе, Л. Фам-Нгуен, Э. Делофр, М. Гроз-Жан, Р. Бенейтон, К. Лавирон, М. Марин, К. Лейрис, С. Хендлер, Ф. Леверд, П. Гуро, П. Шейблин, Л. Клемент, Р. Пантель, С. Делеонибус и Т. Скотницки, Solid State Electron 53, 730 (2009).

      Артикул Google ученый

    • 6.

      М. Ногучи, Т. Нумата, Ю. Митани, Т. Шино, С. Каванака, Ю. Оваки и А. Торими, IEEE Electron Device Lett 22, 32 (2001).

      Артикул Google ученый

    • 7.

      М. Чан, Ф. Ассадераги, С.А. Парке и К. Ху, IEEE Electron Device Lett 15, 22 (1994).

      Артикул Google ученый

    • 8.

      К. Ан, В. Чо, К. Им, Дж. Янг, И. Бэки, С. Ли и С. Бэк (патент США) US 20060131648 A1 [2006-06-22].

    • 9.

      Х. И. Ханафи, Д. К. Бойд, К. К. Чан, В. Натцле и Л.Ши (патент США) 6841831 B2 [2005-01-11].

    • 10.

      Б. Свиличич, В. Йованович, Т. Сулигой, Solid State Electron 53, 540 (2009).

      Артикул Google ученый

    • 11.

      Г.К. Сарамекала, А. Сантра, С. Дубей, С. Джит и П.К. Tiwari, Микроструктура сверхрешеток. 60, 580 (2013).

      Артикул Google ученый

    • 12.

      А. Кумар, П.К. Тивари, Solid State Electron 95, 52 (2014).

      Артикул Google ученый

    • 13.

      Г.К. Сарамекала, С. Дубей, П.К. Тивари, Чин. Phys. В 24, 108505-1 (2015).

      Google ученый

    • 14.

      K.R. Хан, Б.К. Чой, Х. Квони и Дж. Ли, Jpn. J. Appl. Phys. 47, 4385 (2008).

      Артикул Google ученый

    • 15.

      Янг Янг, Марков С. и Ченг Б., IEEE Trans. Электронные устройства 60, 739 (2013).

      Артикул Google ученый

    • 16.

      И. Ян, К. Вьери, А. Чандраксан и Д. Антониадис, Протоколы IEDM (1995), стр. 877. DOI: 10.1109 / IEDM.1995. 499356.

    • 17.

      Т. Нумата, М. Ногучи и С. Такагиа, Solid State Electron 48, 979 (2004).

      Артикул Google ученый

    • 18.

      А. Маджумдар, З. Рен, С.Дж. Koester и W. Haensch, IEEE Trans. Электронные устройства 56, 2270 (2009).

      Артикул Google ученый

    • 19.

      А. Бисвас и С. Бхаттахерджи, Microelectron. Надежный. 53, 363 (2013).

      Артикул Google ученый

    • 20.

      Н. Фасаракис, Т. Карацори, Д. Х. Тассис, К.Г. Теодору, Ф. Андриё, О. Файно, Г.Гибаудо, К.А. Димитриадис, IEEE Trans. Электронные устройства 61, 969 (2014).

      Артикул Google ученый

    • 21.

      С. Ханделвал, Ю.С. Чаухан, Д. Лу, С. Венугопалан, M.A.U. Карим, А. Сашид, Б.-Й. Нгуен, О. Розо, О. Файнот, А.М. Никнеджад и К. Hu, IEEE Trans. Электронные устройства 59, 2026 (2012).

      Google ученый

    • 22.

      Silvaco International, Руководство пользователя ATLAS (Санта-Клара: Silvaco International, 2012).

      Google ученый

    • 23.

      A. Ortiz-Conde, F.J. Garcia Sanchez, J.J. Лиу, А. Кердейра, М. Эстрада, Ю. Юэ, Microelectron.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *