Мощные полевые транзисторы-принцип работы, применение

Существует два главных основополагающих типа полевых (униполярных, управляемых напряжением) транзисторов, являющихся активными полупроводниковыми элементами, обладающими высокой мощностью – это n-канальные иp-канальные.

Первые из них применяются более часто и отличаются наибольшим диапазоном токов и напряжений. Кроме этих моделей производятся полевые транзисторы, управляемые сигналом логического уровня, они обладают ограничением по току и защелкой по напряжению.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Параметры, характеризующие полевой транзистор

1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

I_c= I_cmax

(I – Uзи / U₀)² , здесь I_cmax стока.

5. Крутизна определяется по формуле S = dI_c / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
6. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) r_cсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
7. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
8. Коэффициент усиления относительно напряжения µ_u= sr_спри уменьшении величины тока стока коэффициент µ_uповышается.
9. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
10. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Отличие полевых униполярных транзисторов от биполярных заключается в наличии значительно высокого значения величины входного сопротивления. Потребление электроэнергии полевыми транзисторами отличается значительной экономией.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Структура полевого транзистора

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения. Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

Рис. №2. Структуры (а) полевых транзисторов с управляющим

p—n-перехода и (б) структура транзистора с изолированным затвором.

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор  — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения  до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании  p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U₀– это величина считается одной из основополагающих для всех  разновидностей полевых транзисторов.

Рис. №3. Структура полевого транзистора. Канал, расположенный между электродами стоком и истоком сформирован из слабообогащенного полупроводника n-типа.

 

Сфера использования полевых транзисторов

Полевой транзистор является устройством, рассчитанным на большую мощность, характерным в конструкции регуляторов, конвертеров, драйверов, электродвигателей, реле и мощных биполярных транзисторов. Они применяются в конструкции зарядных устройств, автоэлектроники, устройствах управления температурным режимом, широкополосных и малошумящих усилителях в схемах зарядочувствительных предусилителей и прочее.  Для полевых транзисторов характерно наличие высокого входного сопротивления. Управление полевым транзистором производится непосредственно от микросхемы, без применения добавочных усиливающих каскадов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Полевой транзистор — Википедия

Мощный полевой транзистор с каналом N-типа

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят из канала, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом^[1] (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в примере на рисунке — n-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное (запирающее) напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемого сигнала. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя, то есть изменяется площадь поперечного сечения области в криcталле, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора называются:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Тип полупроводниковой проводимости канала может быть как n-, так и p-типа. По типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя. При некотором запирающем напряжении VP{\displaystyle V_{P}} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток через канал транзистора станет весьма малым.

Так как обратный ток p-n-перехода весьма мал, в статическом режиме или при низких рабочих частотах мощность, отбираемая от источника сигнала ничтожно мала. При высоких частотах ток, отбираемый от источника сигнала может быть значительным и идет на перезаряд входной ёмкости транзистора.

Таким образом, полевой транзистор по принципу управления током аналогичен электровакуумной лампе — триоду, но по виду сток-истоковых вольт-амперных характеристик близок к электровакуумному пентоду. При такой аналогии исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

• в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
• любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
• существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы обладают низким уровнем шума (особенно на низких частотах) по сравнению с биполярными транзисторами, так как в полевых транзисторах нет инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть выполнен внутри полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника порождают низкочастотные шумы.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.
a) — с индуцированным каналом, b) — со встроенным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при подаче напряжения на сток, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом. В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе (рис. 2, b), при подаче напряжения на сток, ток стока оказывается значительным даже при нулевом напряжении на затворе (рис. 3, b). Поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта Ic{\displaystyle I_{c}} в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт U3u<Unop{\displaystyle U_{3u}<U_{nop}}

Ic=0{\displaystyle I_{c}=0}

Пороговое значение напряжения МДП транзистора Unop=1.5B{\displaystyle U_{nop}=1.5B}

2. Параболический участок. U3u>Unop{\displaystyle U_{3u}>U_{nop}}

Ic=Kn[(U3u−Unop)Ucu−Ucu22]{\displaystyle I_{c}=K_{n}[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2}}{2}}]}

Kn{\displaystyle K_{n}}-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U3u{\displaystyle U_{3u}} приводит к переходу на пологий уровень.

Ic=Kn2[U3u−Unop]2{\displaystyle I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}[U_{3u}-U_{nop}]^{2}} — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния^[2].

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности^[3][4].

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера^[5].

Схемы включения полевых транзисторов

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

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной ёмкости затвор-исток (С_зи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная ёмкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

См. также

Примечания

1. ↑ И. П. Жеребцов. Основы электроники. Изд. 5-е. — Л., 1989. — С. 114.
2. ↑ Дьяконов, 2004.
3. ↑ Бачурин, Ваксембург, Дьяконов и др., 1994.
4. ↑ Дьяконов, Максимчук, Ремнев, Смердов, 2002.
5. ↑ Li, 2006.

Литература

• Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 416 с. — ISBN 5980031499.
• Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / Дьяконов В. П.. — М.: Радио и связь, 1994. — 280 с.
• Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В. П.. — М.: СОЛОН-Р, 2002. — 512 с.
• Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0-387-28893-2.

Полевой транзистор — Википедия

Мощный полевой транзистор с каналом N-типа

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

История создания полевых транзисторов

Схема полевого транзистора

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.

Впервые идея регулировки потока основных носителей электрическим полем в транзисторе с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако трудности в реализации этой идеи на практике позволили создать первый работающий прибор только в 1960 году. В 1966 году Карвер Мид (англ.)русск. усовершенствовал эту конструкцию, шунтировав электроды такого прибора диодом Шоттки.

В 1977 году Джеймс Маккаллахем из Bell Labs установил, что использование полевых транзисторов может существенно увеличить производительность существующих вычислительных систем.

Классификация полевых транзисторов

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Рис. 1. Конструкция полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
а) с затвором со стороны подложки;
b) с диффузионным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом^[1] (JFET) — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в примере на рисунке — n-типом.

Источник постоянного смещения, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное (запирающее) напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемого сигнала. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя, то есть изменяется площадь поперечного сечения области в криcталле, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора называются:

• исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
• сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
• затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Тип полупроводниковой проводимости канала может быть как n-, так и p-типа. По типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током и напряжением на нагрузке, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя. При некотором запирающем напряжении VP{\displaystyle V_{P}} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток в через канал транзистора станет весьма малым.

Так как обратный ток p-n-перехода весьма мал, в статическом режиме или при низких рабочих частотах мощность, отбираемая от источника сигнала ничтожно мала. При высоких частотах ток, отбираемый от источника сигнала может быть значительным и идет на перезаряд входной ёмкости транзистора.

Таким образом, полевой транзистор по принципу управления током аналогичен электровакуумной лампе — триоду, но по виду сток-истоковых вольт-амперных характеристик близок к электровакуумному пентоду. При такой аналогии исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например:

• в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева;
• любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов;
• существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы обладают низким уровнем шума (особенно на низких частотах) по сравнению с биполярными транзисторами, так как в полевых транзисторах нет инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть выполнен внутри полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника порождают низкочастотные шумы.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.
a) — с индуцированным каналом, b) — со встроенным каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при подаче напряжения на сток, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом p-типа, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом. В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе (рис. 2, b), при подаче напряжения на сток, ток стока оказывается значительным даже при нулевом напряжении на затворе (рис. 3, b). Поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта Ic{\displaystyle I_{c}} в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт U3u<Unop{\displaystyle U_{3u}<U_{nop}}

Ic=0{\displaystyle I_{c}=0}

Пороговое значение напряжения МДП транзистора Unop=1.5B{\displaystyle U_{nop}=1.5B}

2. Параболический участок. U3u>Unop{\displaystyle U_{3u}>U_{nop}}

Ic=Kn[(U3u−Unop)Ucu−Ucu22]{\displaystyle I_{c}=K_{n}[(U_{3u}-U_{nop})U_{cu}-{\frac {U_{cu}^{2}}{2}}]}

Kn{\displaystyle K_{n}}-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U3u{\displaystyle U_{3u}} приводит к переходу на пологий уровень.

Ic=Kn2[U3u−Unop]2{\displaystyle I_{c}={\frac {K_{n}}{2}}[U_{3u}-U_{nop}]^{2}} — Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28—30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния^[2].

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности^[3][4].

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы. В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя — спейсера^[5].

Схемы включения полевых транзисторов

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

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором

На практике в усилительных каскадах чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт большое усиление по мощности. Но, с другой стороны, этот каскад наиболее низкочастотный из-за вредного влияния эффекта Миллера и существенной входной ёмкости затвор-исток (С_зи).

Схема с ОЗ аналогична схеме с общей базой (ОБ). В этой схеме ток стока равен току истока, поэтому она не даёт усиления по току, и усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет специфическое практическое применение в усилительной технике. Преимущество такого включения — практически полное подавление эффекта Миллера, что позволяет увеличить максимальную частоту усиления и такие каскады часто применяются при усилении СВЧ.

Каскад с ОС аналогичен каскаду с общим коллектором (ОК) для биполярного транзистора — эмиттерным повторителем. Такой каскад часто называют истоковым повторителем. Коэффициент усиления по напряжению в этой схеме всегда немного меньше 1, а коэффициент усиления по мощности занимает промежуточное значение между ОЗ и ОИ. Преимущество этого каскада — очень низкая входная паразитная ёмкость и его часто используют в качестве буферного разделительного каскада между высокоомным источником сигнала, например, пьезодатчиком и последующими каскадами усиления. По широкополосным свойствам этот каскад также занимает промежуточное положение между ОЗ и ОИ.

Области применения полевых транзисторов

КМОП-структуры, строящиеся из комплементарной пары полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа, широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие биполярные и полевые транзисторы, — находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.

См. также

Примечания

1. ↑ И. П. Жеребцов. Основы электроники. Изд. 5-е. — Л., 1989. — С. 114.
2. ↑ Дьяконов, 2004.
3. ↑ Бачурин, Ваксембург, Дьяконов и др., 1994.
4. ↑ Дьяконов, Максимчук, Ремнев, Смердов, 2002.
5. ↑ Li, 2006.

Литература

• Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 416 с. — ISBN 5980031499.
• Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник / Дьяконов В. П.. — М.: Радио и связь, 1994. — 280 с.
• Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В. П.. — М.: СОЛОН-Р, 2002. — 512 с.
• Li, Sheng S. Semiconductor Physical Electronics. — Second Edition. — Springer, 2006. — 708 с. — ISBN 978-0-387-28893-2.

Лекция 5 Полевые транзисторы и принцип их работы

1.5. Полевые транзисторы, принцип их работы

Наряду с биполярными транзисторами нашли применение полевые транзисторы, в которых рабочие носители заряда переносятся по каналу, формируемому в полупроводнике n или p типа таким образом, что они не проходят через границы p и n слоев. По способу формирования канала эти приборы подразделяются на транзисторы с p-n переходом, со встроенным каналом и индуцируемым каналом. Два последних типа относятся к МДП-транзисторам.

В отличие от биполярного транзистора, где происходит токовое управление потоком рабочих носителей заряда, в полевом транзисторе управление потоком осуществляется электрическим полем, что и дало наименование прибору. Преимуществом полевых транзисторов является весьма малый уровень мощности, который потребляется для управления потоком, поскольку ток входной цепи практически равен нулю. Однако эти транзисторы уступают биполярным по уровню выходной мощности.

Рис.1.11. Структура полевого транзистора

с p—n переходом

Структура транзистора с p-n переходом схематически представлена на рис.1.11. Прибор имеет три электрода: исток (аналог эмиттера в биполярном транзисторе), сток (аналог коллектора) и затвор (аналог базе). На рис.1.11 показано включение этого транзистора по схеме с общим истоком, аналогичной схеме ОЭ включения биполярного транзистора. Канал протекания рабочих носителей заряда (в рассматриваемом случае электронов), формируемый в полупроводнике n-типа, заключен между двумя p-n переходами. Канал с двух сторон снабжен двумя электродами: истоком, с которого носители заряда начинают движение, и стоком, где это движение заканчивается. Третий электрод, затвор, соединен с p-слоями. Между истоком и стоком приложено напряжение U, обеспечивающее перенос носителей заряда между этими электродами. Управляющим (входным) напряжением является U. На затвор подается “минус” относительно истока. Таким образом, p-n переход находится в закрытом состоянии, что обусловливает малую величину тока в цепи затвора. При увеличении отрицательного значения напряжения U происходит увеличение ширины p-n перехода за счет n- слоя канала, а тем самым уменьшение ширины канала (см. рис.1.12,а). В результате происходит увеличение сопротивления канала, что и обеспечивает управление потоком электронов.

Рис.1.12. Сужение канала полевого транзистора с p—n переходом при приложении напряжений: а — U, б — U

Напряжение U также изменяет ширину канала за счет изменения ширины p-n перехода. Однако, поскольку оно равномерно приложено по длине канала, то его ширина уменьшается по мере приближения к стоку, к которому подведен “плюс” (см. рис.1.12,б). Очевидно, степень уменьшения ширины канала, а, следовательно, его сопротивление будет увеличиваться при увеличении напряжения U. Этим объясняется вид выходной, стоковой характеристики, приведенной на рис.1.13. При малых значениях напряжения U обусловленное этим напряжением уменьшение ширины канала не существенно. В данных условиях на движения носителей заряда в канале оказывает влияние только напряжение между стоком и истоком, в результате чего ток стока I резко увеличивается с ростом U. При больших значениях напряжения U ток носителей заряда находится под влиянием двух противодействующих факторов. С увеличением напряжения, с одной стороны, увеличивается скорость переноса носителей заряда от истока к стоку, а с другой стороны, — увеличивается сопротивление канала. В результате величина тока стока лишь немного растет при увеличении напряжения U, в приборе устанавливается режим насыщения, ограничивающийся сверху пробивным напряжением U_{си проб}. Режимы пробоя на рис.1.13 (а также на рис.1.15) не указаны. Увеличение отрицательного напряжения U увеличивает сопротивление канала, что обусловливает смещение вольт-амперной характеристики в область малых значений тока I. При этом также уменьшается величина напряжения пробоя.

Рис.1.13. Стоковая характеристика полевого

транзистора с p—n переходом

Наименование МДП-транзисторы (“металл – диэлектрик – проводник”) связано с конструктивными особенностями этих приборов. Они отражены на рис.1.14, на котором приведена схема конструкции транзистора с встроенным каналом. На поверхности подложки, которая выполнена из полупроводника типа p, создается канал n -типа с областями истока и стока. Полупроводник покрыт окисной пленкой, на которую наносится металлическая пленка, выполняющая функцию затвора. Таким образом, канал оказывается изолированным от затвора диэлектрической, окисной пленкой. В общем случае МДП-транзистор имеет четыре электрода. Четвертый электрод соединен с подложкой. Схема включения такого транзистора показана на рис.1.14.

Рис.1.14. Структура МДП-транзистора

Технология изготовления МДП-транзисторов с индуцированным каналом обусловила их широкое применение в составе микросхем. В таких транзисторах специально канал не создается. Он формируется (индуцируется) на поверхности подложки при положительном напряжении затвор- исток, когда электрическое поле затвора вытягивает из подложки электроны, за счет которых создается канал протекания тока стока. Очевидно, в МДП-транзисторе с индуцированным каналом при нулевом напряжении U ток стока отсутствует, а с увеличением напряжения затвор-исток увеличивается ток стока, что иллюстрируется рис.1.15, на котором приведена стоковая характеристика такого прибора.

Рис.1.15. Стоковые характеристики МДП-транзистора

с индуцированным каналом

Следует отметить, что в биполярном транзисторе ток коллектора также увеличивается с увеличением входного напряжения (см. рис.1.8 и 1.9). Однако, начальные участки вольт-амперных характеристик выходных цепей биполярных и полевых транзисторов отличаются. Если в биполярном транзисторе в области малых напряжений U_КЭ наклон вольт-амперных характеристик не зависит от тока базы, т.е. от входного напряжения, то в полевом транзисторе, как видно из рис.1.15, эта зависимость существенна. Принципы работы МДП-транзисторов были рассмотрены на примере приборов с n-каналом. Аналогичным образом функционируют и транзисторы с p-каналом, в которых рабочими носителями заряда являются дырки, а подложка выполнена из полупроводникового материала n-типа. В таких приборах направление токов и полярность напряжений будут противоположны тем, которые имеются у приборов с n-каналом. На рис.1.16 приведены схемные обозначения полевых транзисторов.

Рис.1.16. Схемные обозначения полевых транзисторов:

1 — транзистор с p—n переходом: с n-каналом,

2 — транзистор с p—n переходом и с p-каналом,

3 — МДП-транзистор с встроенным n-каналом,

4 — МДП-транзистор с встроенным p— каналом,

5 — МДП-транзистор с индуцированным n-каналом,

6 — МДП-транзистор с индуцированным p— каналом

Входное и выходное сопротивления полевых транзисторов, в отличие от биполярных, имеют существенную емкостную компоненту. Это учитывается схемой замещения для переменных токов и напряжений. Наиболее распространенная схема замещения полевого транзистора приведена на рис.1.17, в которой отражено наличие трех межэлектронных емкостей: С_зи – затвор – исток, С_си – сток – исток, С_зс – затвор – сток. Первые две обусловлены, в основном, барьерной емкостью закрытого p-n- перехода, примыкающего как к истоку, так и к стоку. Поэтому их величины, составляющие 10 – 40 пФ, в три – пять раз превышают величину емкости сток – исток.

Рис.1.17. Схема замещения полевого транзистора

Наличие в схеме источника тока Su_вх отражает зависимость выходного тока от входного напряжения, где S – крутизна передаточной характеристики, определяемая соотношением

S =.

Зависимость выходного тока от напряжения сток – исток учитывается сопротивлением r_i, величина которого определяется как

r_i = .

Величины параметров S и r_i рассчитываются с использованием стоковой характеристики транзистора.

2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

Аббревиатура МДП обозначает структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Очень часто в качестве диэлектрика используется окисел (в частности, двуокись кремния SiO₂), поэтому в литературе нередко встречается термин МОП-транзистор (металл-окисел-полупроводник).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа.

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис.3.

Рис. 3. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором (p-каналом)

а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением (то есть слаболегированного), который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может составлять всего несколько микрон. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным (собственным) и с индуцированным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (U_ЗИпор), которое называют пороговым напряжением.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 3, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой (о том, что это такое — несколько позже) – канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 3 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с проводимостью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Кристаллическая пластинка слаболегированного кремния n— или p-типа, являющаяся основой для изготовления транзистора, называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с противоположными типами электропроводности. Одна из этих областей используется как исток И, другая – как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой области тонким слоем двуокиси кремния. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами (рис.4). Подложку обычно соединяют с истоком. Так как высоколегированные p-области истока и стока с полупроводником образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока I_С.

Рис.4. Устройство МДП-транзистора с индуцированным (а) и встроенным каналом (б).

Таким образом, в исходном состоянии токопроводящий канал между истоком и стоком в приборе отсутствует.

При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле затвора через диэлектрик SiO₂ проникает на некоторую глубину в приконтактный слой подложки, выталкивает из него основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные носители (дырки), то есть вызывает обеднение приконтактного слоя электронами проводимости и обогащение его дырками. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым напряжением затвора U_ЗИпор, в приконтактном поверхностном слое подложки начинается смена типа электропроводности с электронной на дырочную (рис.5,а), при этом инверсный слой (индуцированный канал) и подложка разделяются обедненным слоем, который представляет собой не что иное, как запирающий слой обычного p-n перехода (рис. 3,б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе в подложке индуцируется токопроводящий канал p-типа, соединяющий исток со стоком (рис.5,б).

Смена одного типа проводимости на другую под действием сил электрического поля называют инверсией электропроводности.

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к увеличению толщины канала и концентрации дырок в нем, что вызывает увеличение проводимости канала в целом.

Ðèñ. 5. МДП-транзистор с индуцированным каналом.

а – пороговый режим; б – образование индуцированного канала

Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n переходом, у которых увеличение напряжения затвора приводит к сужению канала и его ликвидации, работают в режиме обеднения.

Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного тип работают в режиме обогащения.

Выходные статические характеристики. На рис. 6,а показано семейство статических выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом p-òèïà I_C =  (U_СИ) при U_ЗИ = const и U_ЗИ  U_СИпор.

При малых значениях U_СИ ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ на рис. 6,а). Тангенс угла наклона этого участка прямо пропорционален проводимости открытого канала. В работающем транзисторе по каналу течет ток I_К  I_С (он обусловлен дрейфом дырок от истока к стоку), поэтому напряжение между затвором и каналом в различных поперечных сечениях канала оказывается неодинаковым, а изменяется от U_ЗИ вблизи истока до U_ЗИ – U_СИ вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше вблизи стока.

При напряжении насыщения U_СИнас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные характеристики смещаются в область бóльших токов стока (см. рис. 6, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Рис. 6. Статические стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой p—n перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Пробой p—n перехода имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно из кремния. При этом на пробивное напряжение U_СИпроб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться U_СИпроб (см. рис 6, а)

Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния около 0,1 мкм. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзистора велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Статические характеристики передачи представляют собой зависимости I_С = U_ÇÈ при U_СИ = const. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U_ЗИпор (см. рис. 6,б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (см. рис. 6,а). Это приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом.

У этого типа транзистора токопроводящий канал (рис. 3,б) создают («встраивают») технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя, соединяющего исток со стоком. В зависимости от электропроводности подложки канал может быть сделан как n-, òàê è p-òèïà.

Во встроенном канале ток стока протекает при нулевом напряжении на затворе. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет притягивать из подложки дырки и удалять из встроенного канала электроны, то есть будет создавать обеднение канала основными носителями и вызывать уменьшение его общей проводимости. При некотором пороговом напряжении U_ЗИпор канал меняет электропроводность с электронной на дырочную и перестает существовать как таковой, то есть I_С  I_К = 0. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами) и его общая проводимость будет увеличиваться.

Все остальные процессы в канале ничем не отличаются от процессов, происходящих в индуцированном канале.

Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока вызывает увеличение тока стока и распределенного вдоль канала положительного напряжения U_СИ > 0. При определенном напряжении стока U_СИнас происходит полное обеднение и условное перекрытие стокового участка канала, то есть наступает режим насыщения. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-òèïà изображены на рис. 5. (*****)

В связи с трудностями технологического характера МДП-транзистора со встроенным каналом в настоящее время пока не нашли широкого применения.

У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольтамперные характеристики и, следовательно, на параметры транзистора. По своему воздействию на проводимость канала положка может выполнять функцию второго затвора. Несмотря на слабое управляющее действие подложки (второго затвора) это свойства используется в ряде схем. При этом напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы p—n переход исток–подложка был включен в обратном направлении, что приводит к его расширению и вызывает уменьшение исходной проводимости и тока насыщения канала.

Далее идет материал для Пособия и в лекцию не включается.

3. Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току

Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току приведена на рис. 5, а. Активные свойства транзистора учтены с помощью генератора тока – Su_зи , зашунтированного внутренним дифференциальным сопротивлением прибора R_i .

Сопротивления r_и и r_с представляют собой сопротивления участков полупроводника, заключенного между контактом соответствующего электрода и областью канала. Эти сопротивления относительно малы и на эквивалентной схеме условно показаны штриховыми линиями. Затвор можно изобразить в виде двух резисторов R_зи и R_зс , имеющих большие сопротивления и отражающих сопротивления утечки затвора. На рис. 5, а они изображены штриховыми линиями, так как их шунтирующим действием можно пренебречь. Емкость С_з – это распределенная по каналу между истоком и затвором емкость затвора. Она включена последовательно с усредненным сопротивлением канала R_к.ср = R_к/2 , где R_к – сопротивление канала.

В полевых транзисторах с подложкой емкость С_з замыкается на подложку через малое сопротивление поперечного сечения канала и большую емкость канал–подложка С_п  С_з, поэтому ее прямо соединяют с источником (через подложку, см. рис. 5, б).

Элемент С_сз – это распределенная по каналу емкость, соединяющая сток с затвором (то есть проходная емкость). С учетом распределения этой емкости вдоль канала, ее величину определяют С_сз  С_сз/2.

Емкость С_си – это в основном емкость между стоком и заземленной подложкой.

Если опустить второстепенные элементы, не оказывающие существенного влияния на работу полевого транзистора, получим упрощенную эквивалентную схему, приведенную на рис. 5, б.

Важнейшим параметром полевого транзистора с изолированным затвором, отражающим его усилительные свойства, является крутизна характеристики S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при неизменном напряжении на стоке

()

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Полевой транзистор: определение, устройство, принцип работы

Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 г.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Для определенности вначале обратимся к так называемому полевому транзистору с управляющим p-n-переходом с каналом p-типа.

Устройство транзистора.

Дадим схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графическое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрелка указывает направление от слоя pк слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обозначение представлено на рис. 1.86, б.

Основные физические процессы.

Подадим положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом p-типа: uзи> 0. Оно сместит p-n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на p-n -переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины p-n -перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение uзи достаточно велико и равно напряжению отсечки u зи отс, канал полностью перекрывается областью p-n-перехода.

В рабочем (не аварийном) режиме p-n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з ~ 0), а ток стока i_с примерно равен току истока i_и (i_и = i_с).Важно учитывать, что на ширину p-n-перехода и толщину канала прямое влияние может оказывать напряжение между истоком и стоком uис.

Пусть uиз = 0 (между истоком и затвором включена закоротка) и подано положительное напряжение uис (рис. 1.87).

Это напряжение через закоротку окажется поданным на промежуток затвор — сток, т. е. окажется, что uиз=uис и что p-n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях p -n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение равно величине uис . Поэтому p-n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Обычно считают, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

Можно утверждать, что при u ис = u из отс канал полностью перекроется вблизи стока. При дальнейшем увеличении напряжения uис та область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться (рис. 1.88).

Анализ особенностей типовых конструкций полевых транзисторов с изолированным затвором



This paper presents an analytical review of field-effect transistors. We consider their application. Special attention is given to consideration of the typical structures of field-effect transistors and their basic characteristics. On the basis of research with the main prospects for the development of field-effect transistors in Russia.

Keywords: field-effect transistor, topology, integrated structure

Актуальность работы обусловлена тенденциями развития рынка производства вспомогательных микросхем с проектными нормами 90 нм [1]. Усовершенствование характеристик и технологий производства, непрерывное повышение требований к качеству и надежности, позволяет создавать конкурентоспособную на мировом рынке элементную базу полевых транзисторов, которые в свою очередь по своим характеристикам, а именно наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями и температурами, большими токами и значительной мощностью, превосходят биполярные транзисторы [2, 3].

Полевые транзисторы — это полупроводниковыйприбор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы (ПТ) делят на две группы: с управляющим p — n переходом и с изолированным затвором, о которых дальше будет идти речь [2].

Особенностями применения ПТ являются: мгновенная скорость переключения, и почти полное отсутствие потребление тока в статическом режиме.

Полевые транзисторы, из-за ряда своих характеристик, широко используются в силовой электронике. Они позволяют управлять большими токами и при малой мощности управления обеспечить высокую скорость переключения, что делает их почти «идеальными переключателями». Большое количество разнообразных структур и технологических решений позволило расширить диапазон применения ПТ в цепях питания от низковольтных устройств до высоковольтных. Низковольтные ПТ, рассчитанные на напряжения до 30 В, массово используются в цепях питания ноутбуков, планшетов, принтеров, персональных компьютеров, серверов, в электроинструментах с питанием от аккумуляторных батарей [2, 4].

Основные области применения полевых транзисторов среднего напряжения (40…300 В) во многом пересекаются с низковольтными, но при повышенных уровнях мощности и напряжения на оборудовании [2]. Для работы в разнообразной аппаратуре с питанием от сети переменного тока 110 В или 230 В в сетевых источниках электропитания, светотехнике, бытовой и промышленной технике используются ПТ с допустимыми напряжениями от 500 В и выше [5–7].

Однако, до сих пор остаются нерешенными проблемы — кремниевые полевые транзисторы почти достигли предела своих возможностей, в связи с этим толчок получили такие направления: разработка новых моделей корпусов и модулей, применение альтернативных материалов подложки. В статье приведены данные по сравнению разного типа корпусов, которые позволили увеличить показатели полевых транзисторов, и данные по сравнению характеристик полевых транзисторов, изготовленных на подложке из альтернативных материалов

Цель работы— провести аналитический обзор ПТ, рассмотреть их типовые структуры и их основные характеристики, дать рекомендации по направлениям развития элементной базы на основе полевых транзисторов.

В работе при помощи метода сравнения основных характеристик и технологических особенностей обозначены ключевые преимущества и недостатки базовых структур полевых транзисторов. Проанализированы основные особенности структур полевых транзисторов и области их применения.

Использование полевых транзисторов значительно облегчает решение задач, связанных с питанием электронных устройств, увеличением производительности и эффективности.

1. Анализ основных структур полевых транзисторов сизолированным затвором
   1. Классическая структура MOSFET транзистора

Полевой транзистор, у которого затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика, получил сокращенное название — MOSFET — (от слов «металл — окисел — полупроводник — транзистор — управляемый — электрическим полем», англ. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), в русскоязычной литературе встречается как МОП-транзистор (от слов «металл — окисел — полупроводник»). Подразделяются такие транзисторы на две категории: с индуцированным и с встроенным каналом.

Классическая структура МОП — транзистора с индуцированным каналом n–типа представлена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. MOSFET транзистор с индуцированным каналом n–типа

Подложка выполнена из полупроводника р — типа, т. е. легирована акцепторной примесью и потому обладает дырочной проводимостью. Области стока и истока сильно обогащены донорной примесью (электронная проводимость) и имеют обозначение n+. Затвор изолируется от подложки слоем оксида кремния (SiO2).

Если на область затвора подать положительный потенциал, то между выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле, которое, в свою очередь, будет притягивать отрицательно заряженные свободные электроны из подложки к приповерхностному слою. После того как в приповерхностном слое накопится достаточно электронов, образуется так называемый канал, который проводит электрический ток. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал исчезает и транзистор закрывается.

Полевой транзистор с индуцированным каналом отличается от полевого транзистора со встроенным каналом тем, что он открывается только при определенном значении напряжении на затворе, называемым пороговым напряжением. Полевой транзистор со встроенным каналом открывается уже при «U = 0» и при дальнейшем увеличении этого значения переходит в режим обогащения, при этом ток стока увеличивается.

1.2 История развития МОП-транзисторов

Первые образцы полевых транзисторов были маломощными. Рассеиваемая мощность 100–150 Вт, рабочие токи — 10–20 мА, максимальное напряжение на стоке 15 В — 20 В, время переключения исчислялось долями микросекунд. Прошло немало времени, прежде чем параметры полевого транзистора позволили использовать его в высоконагруженных цепях.

Первым серийным мощным МОП-транзистором можно считать советский КП901 [10]. Он имел ток стока до 2 А и максимальное напряжение 65 В. Доработанный впоследствии КП902 имел время переключения около 1 нс, а самый мощный из этой серии КП904 обладал рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А, и отдаваемую на частоте 60 МГц мощность до 50Вт.Структура первых мощных советских МОП — транзисторов представлена на рисунке 2

Рис. 2. Структура первых мощных советских МОП-транзисторов

В 70–80 годах прошлого столетия было проведено немало экспериментов со структурой МОП-транзисторов. На основе результатов таких экспериментов были разработаны транзисторы с V-образной структурой, представленной на рисунке 3. Пропускная способность канала в таком МОП-транзисторе определялась не длиной, а его шириной. Такая структура создавалась методом анизотропного травления. Минусом этой структуры является то, что электрическое поле локализовалось под канавкой, а это приводит к снижению максимальных рабочих напряжений.

Рис. 3. МДП — транзистор с V — образной структурой

Развитием данной технологии вызвало появление МОП-транзисторов с U-образной канавкой. Это снизило локализацию поля. Металлизация сверху и снизу улучшила теплоотвод и снизила сопротивление затвора.

Дальнейшие эксперименты со структурами МОП-транзисторов привели к появлению SIMPOS — транзисторов, структура которых показана на рисунке 4 (ttp://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml), (разработанные фирмой Siemens (www.siemens.com)).

Рис. 4. Структура SIMPOS-транзистора фирмы Siemens

Фирмой InternationalRectifler разработан МОП-транзистор с гексагональной структурой ячейки — HEXFET, эта технология стала самой популярной технологией производства, рисунок 5 (http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml).

Рис. 5. Структура HEXFET-транзистора

Сплошная металлизация с двух сторон увеличивает емкость и заметно снижает время переключения, однако при этом позволяет уменьшить сопротивление стока — истока и позволяет получать большие токи стока.

2. Конструктивный анализ современных MOSFET-транзисторов

Важным элементом MOSFET транзисторов является корпус. Оптимальное сочетание кристалла и корпуса обеспечивает создание по-настоящему эффективного устройства [8]. Большое внимание этому уделяет компания IR. Технологичным прорывом стала технология DirectFET, обеспечивающая двусторонний отвод тепла. Прямой контакт кристалла, платы и корпуса обеспечивает низкое тепловое и электрическое сопротивление корпуса, высокие показатели по компактности изделия. МОП-транзистор изображен на рисунке 6.

Рис. 6. МОП-транзистор, изготовленный по технологии DirectFET

Корпуса марки S0–8 менее эффективны, чем DirectFET, но они позволяют размещать одновременно два мощных транзистора и диода, а теплоотвод уменьшать путем подключения стока и истока одновременно к трем выводам, рисунок 7. (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet)

Рис. 7. Транзистор в корпусе S0–8

Корпуса для плотного монтажа PQFN за счет клипсы обладают меньшим тепловым сопротивлением, чем SO-8, но большим чем у DirectFET, рисунок 8 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 8. Транзистор в корпусе PQFN

Из выше перечисленного получается следующая зависимость сложности монтажа от тепловых характеристик, рисунок 9 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 9. Зависимость сложности монтажа различных корпусов от тепловых характеристик

Данные типы корпусов позволяют создавать полевые транзисторы под разные задачи, от низковольтных до высоковольтных. Перспективные серии устройств с высоким КПД FastIRFET, и помехоустойчивостью StrongIRFET, выполнены именно в этих корпусах.

3. Анализ основных направлений развития полевых транзисторов сиспользованием альтернативных полупроводниковых материалов

В связи с тем, что MOSFET транзисторы потенциально достигают предела своих возможностей, их развитие частично перешло на усовершенствование корпусов, перечисленных выше, и эксперименты с компоновкой. Многие считают, что развитие технологий с применением новых полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны шире, чем у кремния и относительно большей подвижностью заряда, является основным.

Ученые GE (www.ge.com/ru) развивают технологии по использованию карбида кремния. GE планирует использовать новый завод для производства микросхем, которые будут установлены на оборудовании компании — от насосов для перекачки нефти и газа до МРТ-сканеров. Мерфелд и Стеванович считают (http://gereports.ru/post/126512633745/tehnologija-izgotovlenija-mikroshem), что эта технология позволит повысить эффективность поездов, самолетов и автомобилей на 10 %, снизить энергопотребление центров обработки данных на 5 % и повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций более чем на 1 %. Структура ПТ на основе карбида кремния изображена на рисунке 10.

Рис. 10. Структура транзистора на основе карбида кремния

Пробой у таких транзисторов происходит при напряженности на порядок выше, чем у классических полевых транзисторов, выполненных на кремниевой подложке. Удельное напряжение по разным оценкам примерно в 400 раз меньше, что позволяет получать транзисторы с малым сопротивлением сток — исток в открытом состоянии. Опытные приборы, изготовленные по технологии LDMOS, позволяют получать напряжение на стоке до 10кВ. Пуск данного типа устройств в серийное производство — задача будущего. Альтернативным решением применения карбида кремния является использование нитрида галлия. Полевые транзисторы, изготовленные с использованием нитрида галлия не уступает по характеристикам полевым транзисторам, изготовленных из карбида кремния.

Классификация областей применения в виде mindmap представлена на рисунке 11.

Рис. 11. Классификация областей ПТ с использованием альтернативных полупроводниковых технологий

Основными областями применения полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов должны стать системы, где эффективность, и энергоэффективность является главным, критическим параметром, например: солнечные батареи, ветряные электростанции, автомобили, поезда, самолеты, а также системы, где снижение энергопотребления является главной задачей, а именно: центры обработки данных и т. д.

4. Сравнение характеристик полевых транзисторов, изготовленных на кремниевой подложке иизготовленных сприменением альтернативных полупроводниковых материалов.

Приведем сравнение по некоторым показателям арсенид-галлиевого ПТ с традиционным ПТ, выполненным с использованием кремния.

Таблица 1

Сравнение характеристик ПТ

Полевые транзисторы, изготовленные на подложке сиспользованием кремния	Полевые транзисторы, изготовленные сприменением арсенида галлия
Сопротивление открытого канала при напряжении пробоя 200В
7мОм/см2	0.7мОм/см2
Показатель Rds(on)x OgFOM, мОм х нКл
30 мОм х нКл	5 мОм х нКл
Размер площадки, которую занимает устройство, частота работы, при токе нагрузки 10 А
15 х 15 мм, 1 МГц	7 х 9 мм, 5 МГц
КПД % при токе нагрузки 10 А
88 %	91 %

ПТ с применением альтернативных полупроводниковых материалов значительно превосходят характеристики своих кремниевых аналогов. У этих устройств имеется огромный потенциал, равносильный тому потенциалу, который был у классических ПТ в 80е-90е годы прошлого столетия. Однако имеется еще большой спектр задач, связанный с производством таких структур. Технологический процесс изготовления ПТ на основе карбида кремния насчитывает около 300 операций, откуда следует вывод о том, что дороговизна и сложность технологического процесса изготовления является главным препятствием массового использования данного типа устройств в современном приборостроении.

Заключение

В связи с тем, что близок потенциальный порог характеристик полевых транзисторов, изготовленных с применением Si, будущее остается за применением новых технологий с использованием альтернативных полупроводниковых материалов, которые позволяют создавать полевые транзисторы с характеристиками, намного превосходящими характеристики классических ПТ. Основной задачей, на которую состоит сделать акцент, является задача удешевления производства, уменьшение процента брака, а именно: отработка технологического процесса изготовления современных полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов.

В данной статье был проведен краткий обзор информации о классической структуре полевого транзистора, определены его основные элементы и функциональные возможности. Была рассмотрена история развития данных полупроводниковых приборов и основные технологические решения, применяемые для их изготовления. Также были приведены перспективные направления разработки представленных полупроводниковых приборов.

Литература:

1. Аверьянихин А. Е., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Интегрированная система мониторинга национальной нанотехнологической сети. Сборник аналитических материалов — Москва, РНЦ «Курчатовский институт». 2011. Том 2. 111 с.
2. Макарчук В. В., Родионов И. А. Проектирование электронной элементной базы наносистем — Москва. Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 5. 156 с.
3. Варламов П. И., Елсуков К. А., Макарчук В. В. Технологические процессы в наноинженерии — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 2. 175 с.
4. Дронов Н. Н., Макарчук В. В., Макушина Н. В. Технологические процессы микроэлектроники — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2016. 24 с.
5. Amirkhanov A. V., Stolyarov A. A., Gladkykh A. A., Makarchuk V. V., Shakhnov V. A. A modifying algorithm of the topological VLSI layer by dummy filling features based on modeling the chemical-mechanical planarization // Russian Microelectronics. 2014. Т. 43. № 1. С. 72–79.
6. Глушко А. А., Родионов И. А., Макарчук В. В. Моделирование технологии изготовления субмикронных КМОП СБИС с помощью систем TCAD // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 4 (70). С. 32–34.
7. Макарчук В. В. Проектирование топологии биполярного планарно-эпитаксиального транзистора — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2005. 20 с.
8. Амирханов А. В., Гладких А. А., Глушко А. А., Макарчук В. В., Новоселов А. С., Родионов И. А., Шахнов В. А. Разработка парадигмы проектирования СБИС с учетом результатов конструкторско-технологического моделирования // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 38–51.
9. Константин Староверов Новое поколение низковольтных MOSFET-транзисторов в корпусах SO-8, PQFN и DirectFET. Электронный ресурс. URL: http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet. Дата обращения: 31.10.2016
10. Дьяконов Владимир Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор. Электронный ресурс. URL: http://www.power-e.ru/2011_3_18.php 20.10.2016. Дата обращения: 20.10.2016
11. Силовые полупроводниковые приборы. Силовые mosfet транзисторы. Бесплатная техническая библиотека. Электронный ресурс. URL: http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml. Дата обращения: 31.10.2016

Основные термины (генерируются автоматически): MOSFET, транзистор, полевой транзистор, рисунок, ток стока, PQFN, технологический процесс изготовления, время переключения, основа карбида кремния, встроенный канал.