1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Устройство транзистора с изолированным затвором представлено на рис. 1.3.7. Затвор - тонкая металлическая пленка - изолируется от канала - слоя полупроводника - с помощью слоя диэлектрика - обычно SiO₂. Эти транзисторы называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторами. Для изоляции канала от подложки, в качестве которой используется кристалл полупроводника противоположной электропроводности, служит обычно смещенный p-n-переход “канал-подложка”.

Различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

В конструкции МДП-транзистора с индуцированным каналом проводящего слоя между сильно легированными областями стока и истока нет. Сопротивление участка “сток-исток” очень велико: два встречно включенных p-n-перехода.

Рис. 1.3.7. Полевой транзистор с изолированным затвором.

Если на затвор подать достаточно большой отрицательный потенциал, он “вытягивает” из p-областей стока и истока и даже из подложки. При некотором значении U_З.И.пор концентрации дырок в промежутке сток-исток становится преобладающей, появляется проводящий канал с проводимостью типа p. Такой режим называется обогащением.

Аналогично на p-подложке может быть получен канал типа n. Для появления канала на затвор нужно подать положительное напряжение, по величине выше U_З.И.пор.

Толщина канала 0.1..0.2 мкм регулируется напряжением U_ЗИ, при этом измеряется напряжение канала U_СИ.

Полярность напряжения сток-исток должна смещать переход канал-подложка в обратном направлении: для p-канала U_СИ<0, для n-канала U_СИ>0, т.е. полярности напряжений на затворе и стоке совпадают. На рис. 1.3.8. показаны схемы включения МДП транзисторов с n-каналом и p-каналом.

Рис. 1.3.8. Схемы включения МДП транзистора.

В этом случае толщина канала по его длине неодинакова: больше у истока и уменьшается по мере приближения к стоку. При U_СИ=U_СИ.НАС наступает отсечка канала возле стока, а если U_СИ>U_СИ.НАС, то отсекается часть канала, через которую носители заряда проходят путем экстракции, т.е. за счет дрейфа через обедненный участок канала.

Рис. 1.3.9

1.4. Тиристоры

Тиристором называется трехэлектродный прибор с четырехслойной полупроводниковой структурой. Рассмотрим рис. 1.4.1, крайние p и n области называются соответственно анодом и катодом, а внутренняя р-область - управляющим электродом.

а) б)

Рис. 1.4.1 Тиристор:

а) структура б) условные обозначения

(А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод)

На рис. 1.4.2 изображена ВАХ тиристора при двухэлектродном включении. Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов обоих типов - p-n-p и n-p-n (рис.1.4.3). База первого транзистора соединена с коллектором второго, а база второго - с коллектором первого.

Рис. 1.4.2. ВАХ тиристора при двухэлектродном включении

Если в цепи базы второго транзистора ток увеличился на величину , то токи коллекторов второго и первого транзисторов получат приращения, равные соответственно , , где и - коэффициенты усиления по току первого и второго транзисторов в схеме с общей базой.

Рис. 1.4.3. Эквивалентная схема тиристора

Коэффициент усиления по току кремниевого транзистора се всегда меньше единицы и не является постоянной величиной. При увеличении тока эмиттера возрастает.

При любом положительном напряжении на аноде тиристора, меньшем (см. рис. 1.4.2), величина тока эмиттера каждого транзистора такова, что сумма . При этом сопротивление тиристора велико и определяется главным образом величиной обратного сопротивления среднего p-n-перехода II (рис. 1.4.1), который оказывается включенным в обратном направлении. Два других p-n-перехода (I и III) (см. рис. 1.4.1) включены в прямом направлении и незначительно влияют на величину сопротивления тиристора. Через p-n-переход II протекает незначительный ток утечки (область 1 ВАХ, рис.1.4.2). Тиристор выключен (закрыт). При току утечки соответствует сумма . Тиристор открывается. В области проводимости (участок 2 ВАХ, рис. 1.4.2) , и ток через тиристор ограничивается лишь сопротивлением нагрузки. Сопротивление тиристора приблизительно равно сопротивлению полупроводнико­вого диода в прямом направлении. Динамическое сопротивление тиристора в области 3 отрицательно , и работа прибора неустойчива. Область 4 ВАХ соответствует запиранию тиристора при обратном анодном напряжении.

Если приложить к управляющему электроду тиристора небольшой положительный потенциал относительно катода, то ток увеличится до значения, соответствующего , и прибор включается при меньшем анодном напряжении.

После включения тиристора транзисторы, составляющие его полупроводниковую структуру, поддерживают друг Друга в состоянии насыщения за счет положительной обратной связи. В отличие от транзисторов, для сохранения состояния проводимости тиристоров нет необходимости постоянно подавать сигнал на его управляющий электрод. Тиристор после включения теряет управ­ляемость. Тиристор закрывается, если его анодный ток станет меньше величины, равной .

Из характеристик рис. 1.4.4 видно, что при увеличении тока управления уменьшается пробивное напряжение тиристора, а при достаточно большом токе управления характеристика тиристора подобна характеристике неуправляемого вентиля.

Рис. 1.4.4. ВАХ тиристора при различных токах управления

Тиристоры выпускаются на токи до нескольких сотен ампер и на допустимые обратные напряжения до 1000 В. Тиристоры в отличие от обычных диодов характеризуются рядом дополнительных параметров. К таким параметрам относятся: время включения и время восстановления управляемости тиристора, ток удержания тиристора при отсутствии управляющего сигнала и амплитуда тока управления .

В переходных режимах на величине напряжения пробоя тиристора значительно сказывается скорость нарастания прямого напряжения . С увеличением напряжение пробоя тиристора уменьшается, и при большой величине тиристор может открыться при токе управления, равном нулю. Поэтому не должна превышать определенной величины для данного типа тиристора.