Лк17 (Лекции в ворде), страница 2

МДП-транзистор с индуцированным каналом (рис. 18.4) работают только в режиме обогащения. В отсутствие напряжения управления на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода, и ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в запертом состоянии. Таким образом, МДП-транзистор – это нормально закрытый прибор.

На рис. 18.6 показана структура, которая используется в МДП-транзисторах с индуцированным n-каналом.

Для того чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n-типа, образующая канал, соединяющий n⁺-области истока и стока, и в стоковой цепи начинает протекать ток.

Рис 18.6. МДП-транзистор с индуцированным каналом

Принято считать, что транзистор открывается при напряжении затвора, равном пороговому – U_пор, при котором на поверхности начинает выполняться условие сильной инверсии ( ). Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и, соот U_зи<U_пор нет канала, I_c=0.

Пусть U_зи>U_пор, т.е. имеется проводящий канал, и на сток относительно истока подано положительное напряжение U_си (рис. 18.6). Тогда распределение потенциала в канале по оси х становится неравномерным: в точке х=0 (вблизи истока) потенциал определяется только полем затвора и равен , а в точке х=L – совместным действием полей затвора и стока и равен . При увеличении напряжения U_си ток стока I_c также будет увеличиваться по линейному закону, так как увеличивается напряженность стока вдоль канала (по оси х). Ток стока вдоль канала – дрейфовый ток электронов.

Одновременно с ростом напряжения U_си и тока стока I_c происходит расширение стокового pn-перехода: на переход подается обратное смещение, и он расширяется в сторону высокоомной подложки. В точке х=L обратное напряжение на стоковом pn-переходе появляется только при достижении некоторого граничного условия , то есть при компенсации в этой точке действия поля затвора. При увеличении напряжения на стоке, потенциал U(L)=U_с стремится к U_з и при некотором U= инверсия в некоторой, находящейся вблизи стока точке отсечки исчезает, канал перекрывается областью, обедненной носителями. При этом дифференциальное сопротивление выходной цепи сток-исток резко увеличивается, так как оно определяется сопротивлениями канала и обратносмещенного стокового pn-перехода.

Начиная с этого момента, ток стока образуется носителями, которые дрейфуют по проводящему каналу и затем инжектируются в обедненную область, расположенную около стока.

Дальнейшее увеличение напряжения на стоке будет приводить к весьма слабому возрастанию I_c, поскольку все приращение напряжения будет осуществляться за счет падения напряжения на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала. При этом I_c будет определяться падением напряжения от истока до точки отсечки, положение которой при увеличении напряжения на стоке остается почти постоянным (стоковый pn-переход расширяется по оси х в сторону истока, и длина канала уменьшается на ΔL). Рост тока стока I_c при практически прекращается. Небольшое смещение точки отсечки ΔL за счет расширения обедненной области при возрастании потенциала стока приведет к некоторому увеличению тока стока.

18.2 Вольт-амперные характеристики МДП-транзистора

Выходной характеристикой МДП-транзистора называется зависимость выходного тока стока I_c от выходного напряжения – напряжения U_си. На рис. 18.7 и 18.8 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП-транзистора с индуцированным и встроенным каналом.

Рис. 18.7 Передаточные и выходные ВАХ p-канального МДП-транзистора

Как видно из графиков, на характеристиках МДП-транзистора можно выделить две области: участок крутого нарастания тока стока I_c с увеличением напряжения U_си и пологий участок, на котором I_c меняется незначительно, поэтому эту область часто моделируют горизонтальными прямыми вплоть до напряжения пробоя.

Переход с одного участка выходной ВАХ на другой происходит при достижении граничного значения напряжения стока:

	(18.11)
Рис. 18.8. ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом

С увеличением напряжения на затворе, граница, разделяющая крутую и пологую области, сдвигается в область больших напряжений сток-исток. На графике зависимости I_c=f(U_си) можно выделить три основные рабочие области (рис. 18.9):

Рис. 18.9 Выходные ВАХ МДП-транзистора

1 – область отсечки выходного тока: транзистор заперт (U_зи<U_пор), в цепи протекает малый обратный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового pn-перехода.

2 – активная область (пологая часть выходных ВАХ U_з>U_пор, U_си >U_{си гр}) – область, где ток I_c остается практически неизменным с ростом напряжений U_си.

3 – область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток I_c в этой области задается внешней цепью.

Таким образом, в области 1 рабочая точка находится, если МДП-транзистор, как и биполярный, работающий в ключевом режиме, заперт, в области 3 – если открыт. В активной области 2 рабочая точка находится, если МДП-транзистор работает в усилительном режиме.

В области 4 наступают предпробойные явления, сопровождающиеся резким увеличением тока I_c. Область пробоя определяет выбор предельно допустимых напряжений.

Для получения аналитического выражения, позволяющего описать ВАХ МДП-транзистора, сделаем следующие основные допущения:

1. одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению канала постоянны;

2. на поверхности выполняется условие сильной инверсии (U_зи>U_пор);

3. заряд на поверхностных состояниях постоянен и не зависит от изгиба зон;

4. дрейфовые токи значительно больше диффузионных токов и последними можно пренебречь;

5. подвижность носителей заряда в канале постоянна.

Плотность тока в канале можно определить по закону Ома:

(18.12)

где σ_с – удельная (приходящаяся на единицу площади) проводимость канала, E(x)=dV/dx – напряженность продольного электрического поля в канале.

(18.13)

где – подвижность носителей в канале ( – для канала p-типа и – для канала n-типа), – концентрация основных носителей в канале, – удельный заряд индуцированных носителей:

,

(18.14)

где С_з – емкость затвора, U(x) – потенциал в точке канала х. Тогда из (18.13) можно получить:

(18.15)

Умножив (18.12) на ширину канала W (рис. 18.6) и выполнив разделение переменных, можно получить:

(18.16)

Откуда получим ток стока в линейной области характеристик при единичной глубине канала:

(18.17)

Таким образом, при U_з > исток-стоковая ВАХ будет переходить из крутой области в пологую. Значение найдем из следующего условия:

.

(18.18)

Откуда . Подставим это значение вместо U_c в (18.17), найдем выражение для выходных вольтамперных характеристик МДП–транзистора в пологой области:

(18.19)

Это выражение описывает передаточную характеристику для МДП–транзистора (см. рис. 18.7).

Используя (18.17), получим выражение для определения крутизны характеристики:

(18.20)

18.3. Схемы включения МДП-транзистора

Практическое применение получили схемы включения полевых транзисторов с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором.

Рис. 18.10. Включение МДП-транзистора по схеме с общим истоком (а), с общим стоком (б) и с общим затвором (в)

К преимуществам МДП-транзисторов по сравнению с биполярными можно отнести:

• высокое входное сопротивление, которое определяется только сопротивлением утечки диэлектрика и достигает 10¹²-10¹⁵ Ом по постоянному току;

• низкий уровень шумов, что объясняется малым вкладом рекомбинационных процессов, ток как в переносе тока в полевых транзисторах в отличие от биполярных участвуют только основные носители;

• относительная простота изготовления.

Строение IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) являются самыми перспективными силовыми приборами и предназначены для работы в так называемых токовых ключах, пропускающих значительных токов (несколько тысяч ампер).

Учитывая специфическую структуру IGBT, контакты прибора и прилегающие к ним области называются: эмиттер Э, затвор З, коллектор К.

На рис. 18.11 приведена структура IGBT c планарным затвором, а также показаны пути движения носителей заряда как через элементы IGBT, так и через специально встроенный биполярный транзистор.

Рис. 18.11. Структура элементарной ячейки IGBT с планарным затвором

Транзисторы IGBT имеют структуру (ячейку), аналогичную мощному IGBT с коротким горизонтальным индуцируемым n-каналом и вертикальным n-каналом, но дополненную еще одной областью p+ (в области коллектора), а, значит, еще одним p-n-переходом (рис. 4.10). Благодаря дополнительному p+-слою в структуре образуется ²новый² p+-n--p+-транзистор VТ2 (рис. 4.10) с очень большой площадью p-n-переходов, который способен пропускать (коммутировать) значительные токи. Схема замещения БТИЗ и ее ВАХ представлены на рис. 4.9, в, г.