Потапов Л.А. Основы электроники

Подождите немного. Документ загружается.

Разновидностью МДП-транзисторов является транзистор с

встроенным каналом (рис.1.20), который создается технологически в

поверхностном слое подложки. Это тонкий слой полупроводника,

соединяющий исток со стоком, одинакового с ними типа

электропроводности. В таком транзисторе при наличии между стоком и

истоком напряжения U

си

и при нулевом напряжении на затворе ток стока

будет отличен от нуля. При увеличении в сторону положительных (для канала

n-типа) значений

напряжения между затвором

и истоком электрическая

проводимость канала за

счет обогащения

носителями заряда будет

увеличиваться, с ток стока

– возрастать. Отрицательное напряжение между затвором и истоком будет

вызывать сужение канала

(обеднение носителями), ток

стока будет уменьшаться, а при

достижении напряжением

некоторого порогового

значения — прекратится. Таким

образом, транзистор с

встроенным каналом

управляется разнополярными

напряжениями.

Межэлектродные емкости

полевых транзисторов между

затвором и стоком С

зс

, а также

затвором и истоком С

зи

обычно не превышают 1…20 пФ. Полевые транзисторы с коротким каналом

(длиной 1…3 мкм) являются высокочастотными приборами и могут работать

на частотах до нескольких десятков гигагерц.

Конструкция МДП-транзисторов постоянно совершенствуется. Для того чтобы

такие транзисторы работали на повышенных частотах, необходимо уменьшать

длину канала, снижать собственные емкости, пороговое напряжение и пр.

Поэтому появляются транзисторы, выполненные, например, по V-технологии с

длиной канала менее 0,1 мкм и способные работать до частот 1,5 ГГц.

В интегральных технологиях изготовления микросхем широко

используют МДП-структуры специального назначения. Для примера можно

упомянуть структуру типа металл–нитрид–оксид–полупроводник (МНОП),

которую используют для получения запоминающих устройств. Она состоит из

тонкого слоя оксида SiO

(барьера) и толстого слоя нитрида Si

(«ловушка»).

При программировании на затвор структуры подают положительное

напряжение, достаточное для туннелирования через барьер электронов из

Рис. 1.19. Структура (а), схема включения (б)

выходные в) и передаточная(г) ВАХ МДП-

транзистора с индуцированным каналом n-типа:

1 – 4 – области истока, канала, стока и

подложки; 5 – 8 – выводы истока, затвора, стока

и подложки; 9 - диэлектрик; 10 – затвор

зи

> 0

зи

= 0

зи

< 0

зи

си

а)

б)

Рис.1.20. Выходные (а) и передаточная (б) ВАХ

и условное графическое обозначение(в) МДП-

транзистора с встроенным каналом n-типа

в)

подложки. Попав, таким образом, в «ловушку», электроны и созданный ими

заряд могут храниться в ней несколько лет, барьер из оксида предотвращает

обратный перенос заряда в отсутствии электрического поля. Если на затвор

подать достаточно большое отрицательное напряжение, то накопленный заряд

рассасывается.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1) крутизна переходной характеристики S]=YdI

/YdU

зи

при U

си]

=Yconst

(0,1…500YмА/В);

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке

насыщения R

= dU

си

/ dI

при U

зи

= const (10

…10

Ом);

3) сопротивление открытого канала R

(0,1…300 Ом);

4) начальный ток стока I

при U

зи

= 0 (0,01…600 мА);

5) напряжение отсечки U

отс

(0,2…10 В);

6) максимально допустимые напряжения стоки–сток, затвор–исток;

7) максимальная мощность рассеивания стока P

c max

(сотни ватт);

8) максимальный ток стока I

c max

(до сотен ампер);

9) максимальная рабочая частота f

max

Мощные полевые транзисторы с вертикальным каналом широко

применяются в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных

источниках питания при максимальным напряжением сток–исток до 1000 В.

Их обычно называют

MOSFET-транзисторы.

MOSFET – это

аббревиатура от английского

словосочетания Metal-Oxide-

Semiconductor Field Effect

Transistor (металл-оксидные

полупроводниковые полевые

транзисторы). Данный класс

транзисторов отличается,

прежде всего, минимальной

мощностью управления при

значительной выходной (сотни

ватт), чрезвычайно малым

значением сопротивления в

открытом состоянии (десятые доли Ома при выходном токе в десятки ампер), а

следовательно, минимальной мощностью, выделяющейся на транзисторе в виде

тепла.

Получают транзисторы с вертикальным каналом методом двойной

диффузии (рис.1.17.). На подложке n

-типа с введенным эпитаксиальным слоем

типа проводят первую диффузию (получают области p-типа). Затем

диффузией донорной примеси (фосфор) создают исток с высокой

концентрацией носителей n

- типа. Между истоком и стоком в вертикальном

Рис.1.21.Структура полевого транзистора с

вертикальным каналом:1- SO

, 2 – контакт

истока, 3 – поликремниевый затвор,

4 – контакт затвора, 5 – контакт стока

направлении создается канал, управляемый напряжением между затвором и

истоком. Поликремниевый электрод затвора изолирован от металла истока

слоем SiO

. Такая структура транзистора с вертикальным каналом в отличие от

транзисторов с горизонтальным каналом (рис.1.19.) позволяет создать

максимальную площадь контактов истока и стока и уменьшить сопротивление

выводов.

Следует отметить, что при такой технологии изготовления мощного

полевого транзистора в его структуре появляется паразитный биполярный

транзистор, который может включиться, когда скорость изменения напряжения

на стоке окажется слишком большой.

В зависимости от области применения (низкие напряжения и большие

токи или высокие напряжения и жесткие требования к динамическим

характеристикам) разработаны различные технологии изготовления MOSFET-

транзисторов. Технология MDmesh (Multiple Drain mesh) и STripFET фирмы

STMicroelectronics основаны на многочисленных вертикальных p-структурах

стока, что значительно уменьшает сопротивление сток/исток в открытом

состоянии (RDS ON). Кроме очень низкого RDS ON, новая вертикальная

структура кристалла обеспечивает превосходные динамические характеристики

(dV/dt). Например, низковольтный (20 В) транзистор STV160NF02L рассчитан

на токи до 160 А и имеет сопротивление сток/исток в открытом состоянии

0,0016 Ом. MOSFET-транзисторы другой Z-серии, например STW8NC90Z,

рассчитаны на напряжения до 900 В, полностью защищены от

электростатического пробоя и выбросов напряжения в затворной цепи

вследствие переходных процессов., но обеспечивают токи до 7,6 А и имеют

сопротивление сток/исток в открытом состоянии 1,38 Ом.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(БТИЗ) являются новым типом активного прибора, который появился

сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным

характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным

характеристикам биполярного. В литературе этот прибор называют

IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor).

По быстродействию IGBT-

транзисторы (рис.1.22) значительно

превосходят биполярные. Их чаще

всего используют в качестве мощных

ключей, у которых время включения

0,2...0,4 мкс, а время выключения

0,2...1,5 мкс, коммутируемые

напряжения достигают 3,5 кВ, а токи

1200 А.

—

Эпитаксиальный

слой

Буферный слой

Подложка

–

Коллектор

Эмиттер

Полукристаллический

кремний затвора

Оксид

Рис. 1.22. Структура

IGBT-транзистора

Транзисторы этого типа вытесняют тиристоры из высоковольтных

схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные

источники вторичного электропитания с качественно лучшими

характеристиками.

Активные приборы нового типа используются достаточно

широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных

системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и

токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием

того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер

падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5…3,5В.

Как видно из структуры IGBT-транзистора (рис. 1.22), это достаточно

сложный прибор, в котором транзистор типа р–п–р управляется МОП-

транзистором с каналом типа п.

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 1.23,а) является эмиттером транзистора

VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1

появляется электропроводный канал. Через него эмиттер транзистора IGBT

(коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4.

Это приводит к тому, что он полностью отпирается и падение напряжения

между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным

падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4,

просуммированному с падением напряжения U

си

на транзисторе VT1.

В связи с

тем, что

падение

напряжения

на р–n-

переходе

уменьшается с

увеличением

температуры,

падение

напряжения на

отпертом

IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный

температурный коэффициент, который становится положительным при

большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не

опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерного перехода VТ4).

При увеличении напряжения, приложенного к транзистору IGBT,

увеличивается ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при

этом падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.

Затвор

Коллектор

Эмиттер

VT1

VT2

VT3

VT4

а)

б) в)

Рис. 1.23. Эквивалентная схема IGBT-транзистора (а) и его

условное обозначение в отечественной (б)

и иностранной (в) литературе

При запирании транзистора VT1 ток

транзистора VT4 становится малым, что

позволяет считать его запертым.

Дополнительные слои введены для

исключения режимов работы, характерных

для тиристоров, когда происходит

лавинный пробой. Буферный слой п

широкая базовая область n

–

обеспечивают

уменьшение коэффициента усиления по

току p–n–p-транзистора. Общая картина

включения и выключения достаточно

сложная, так как наблюдаются изменения

подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у

имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения

сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут

быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их

применяют в ключевом режиме.

При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа

характеризуются кривыми, показанными на рис. 1.24.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ),

имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор,

который не находил практического применения. Схематическое изображение

такого транзистора приведено на рис. 1.25,а. На этой схеме VT – полевой

транзистор с изолированным затвором, Т1 – паразитный биполярный транзистор,

–последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R

–

сопротивление, шунтирующее переход база–эмиттер биполярного транзистора Т1.

Благодаря сопротивлению R

биполярный транзистор заперт и не оказывает

существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-

амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 1.25,б, характеризуются

крутизной S и сопротивлением канала R

кэ

0,1

мкс

Рис. 1.24. Изменение падения

напряжения U

кэ

и тока I

IGBT-транзистора

30 B

Ic, A

20 В

зи

= 10 В

Затвор

си

Сток

Рис. 1.25. Схема замещения ПТИЗ с вертикальным каналом (а) и его

вольт-амперные характеристики (б), схема замещения транзистора типа

IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики (г)

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена

еще одним р–n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 1.25,в)

появляется еще один p–n–p-транзистор T2. Образовавшаяся структура из двух

транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную

связь, так как ток коллектора транзистора T2 влияет на ток базы транзистора T1, а

ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзистора Т2. Принимая, что

коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют значения α

, соответственно, находим I

к2

= I

э2

, I

к1

= I

э1

и I

= I

к1

+ I

к2

+ I

Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

= I

(1 – α

– α

Поскольку ток стока I

ПТИЗ можно определить через крутизну S и

напряжение U

, на затворе I

= SU

, определим ток IGBT транзистора

ЗЭЭК

II 





)(1



где S

= S/ [1 – (α

+ α

)] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с

изолированным затвором. Очевидно, что при α

+ α

≈ 1 эквивалентная

крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения α

и α

можно изменением сопротивлений R

и R

при изготовлении

транзистора. На рис. 1.25,г приведены вольт-амперные характеристики IGBT

транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по

Коллектор

кэ

Затвор

Эмиттер

зэ

э1

к1

э2=

к2

8 В

зэ

= 5 В

к,

Iк, А

си

, B

Исток

зи

а)

б)

в)

г)

сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP402 получено

значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT-транзисторов является значительное

снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение

падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что

последовательное сопротивление канала R

шунтируется двумя насыщенными

транзисторами T1 и Т2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 1.26. Это

обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор

изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера

изображаются как у биполярного транзистора.

Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с

индуцированным

каналом, то напряжение,

подаваемое на затвор,

должно быть больше

порогового напряжения,

которое имеет значение

5...6 В.

Быстродействие

БТИЗ несколько ниже

быстродействие полевых

транзисторов, но

значительно выше

быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для

большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения

не превышают 0,5... 1,0мкс.

Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в

состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие

из нескольких компонентов (рис. 1.26, а – г). Их условные обозначения

включают: букву М– модуль беспотенциальный (основание изолировано);

2 – количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным

затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором;

ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры:

25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – максимальный ток; цифры: 1, 2, 5, 6, 10, 12 –

максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U

кэ

(*100В).

Например модуль МТКИД-75-17 имеет U

КЭ

=1700 В, I=2*75А, U

КЭотк

=3,5 В, P

Kmax

=625 Вт.

Статический индукционный транзистор (СИТ или SIT-транзистор)

представляет собой полевой транзистор с управляющим p–n-переходом,

который может работать при обратном смещении затвора (режим полевого

транзистора) и при прямом смещении затвора (режим биполярного

а) б)

в)

г)

Рис. 1.26. Условные обозначения модулей

на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ;

в – М2ТКИ; г - МДТКИ

транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор

управляется током затвора, который в этом случае работает как база

биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается

обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора

обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, достигать 30 В,

что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей,

которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ-транзисторов.

Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ,

представляет собой нормально

открытый прибор с управляющим

p –n-переходом. В таком приборе при

нулевом напряжении на затворе

цепь сток–исток находится в

проводящей состоянии (рис.1.27).

Перевод транзистора в

непроводящее состояние

осуществляется с помощью

запирающего напряжения U

зи

отрицательной полярности,

прикладываемого между затвором и

истоком. Существенной

особенностью такого CИТ

транзистора является возможность значительного снижения сопротив-ления

канала R

си

в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его

прямом смещении.

СИТ-транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд

которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ-

транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является

повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от

режима работы и составляет 20...25 нс при задержке не более 50 нс. Время

выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное

стояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в

биполярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных

носителе заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке

выключения и может лежать в пределах от 20 нс до 5мкс.

Специфической особенностью СИТ-транзистора, затрудняющей его

применение в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при

отсутствии управляющего сигнала (рис.1.27.). Для его запирания необходимо

подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть

больше напряжения отсечки.

Этого недостатка лишены БСИТ-транзисторы, в которых напряжение

отсечки технологическими приемами сведено к нулю.

, А

зи

= 0

40 60

80 100

си

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

Рис. 1.27. Вольт-амперные

характеристики

СИТ- транзисторов

Благодаря этому БСИТ-транзисторы при отсутствии напряжения на

затворе заперты, так же как и биполярные транзисторы, что и отражено в

названии транзистора – биполярные СИТ-транзисторы.

Поскольку СИТ- и БСИТ-транзисторы относятся к разряду полевых

транзисторов с управляющим p–n-переходом, их схематическое изображение и

условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ-транзисторы

можно только по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет

справочника. Например, СИТ-транзистор КП926 имеет максимальное значение

напряжения 400 В, ток стока 16 А, напряжение отсечки – 15 В, а БСИТ-

транзистор КП955 – напряжение 450 В, ток 25 А, напряжение отсечки 0 В.

Несмотря на высокие характеристики СИТ- и БСИТ-транзисторов, они

уступают ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. К достоинствам

СИТ-транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом

состоянии, которое составляет 0,1... 0,025 Ом.

1.3.Тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя

(или более) p—n-переходами, вольт-амперная характеристика

которого имеет участок с отрицательным дифференциальным

сопротивлением и который используется для коммутаций в

электрических цепях.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный

тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет

дополнительно третий (управляющий) электрод. Как диодный так

и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя

р–п-переходами (рис. 1.28).

Крайние области р

и п

называются анодом и катодом,

соответственно, с одной из средних областей р

или n

соединен

управляющий электрод. П

, П

– переходы между p- и n-

областями.

Источник Е внешнего питающего напряжения подключен к

аноду положительным относительно катода полюсом. Если ток I

через управляющий электрод триодного тиристора равен нулю,

его работа не отличается от работы диодного. В отдельных

случаях бывает удобно представить тиристор двухтранзисторной

схемой замещения с использованием транзисторов с различным

типом электропроводности р–n–р и п–р–п (рис. 1.28,б). Как видно

из рис.1.28,б, переход П

является общим коллекторным переходом

обоих транзисторов в схеме замещения, а переходы П

и П

–

эмиттерными переходами. При повышении прямого напряжения U

пр

(что достигается увеличением ЭДС источника питания Е) ток

тиристора увеличивается незначительно до тех пор, пока напряжение

пр

не приблизится к некоторому критическому значению напряжения

пробоя, равному напряжению включения U

вкл

(рис.1.29).

При дальнейшем повышении напряжения U

пр

под влиянием

нарастающего электрического поля в переходе П

происходит резкое

увеличение количества носителей заряда, образовавшихся в результате

ударной ионизации при столкновении носителей заряда с атомами. В

результате ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя

и дырки из слоя р

устремляются в слои р

и п

и насыщают их

неосновными носителями заряда. При дальнейшем увеличении ЭДС

пр

+Е

пр

– –

а)

б)

Рис. 1.28. Структура (а) и двухтранзисторная схема

замещения (б) триодного тиристора