2.4.2.2 Силовые (мощные) полевые транзисторы

Полевые транзисторы долгое время оставались мало­мощными.

Первые промышленные образцы силовых полевых транзисторов появились в 70-е гг. XX в.

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее важных и перспективных силовых приборов электроники.

Как правило, силовые полевые транзисторы являются кремниевыми. Перспективными являются транзисторы на основе арсенида галлия.

В настоящее время полевые транзисторы очень широко (опережая в этом биполярные транзисторы) используются в качестве основы интеллектуальных силовых интеграль­ных схем, интеллектуальных приборов и интеллектуаль­ных силовых модулей.

Из всего многообразия полевых транзисторов в сило­вой электронике наиболее широко используются полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцирован­ным каналом. Изложение ориентировано именно на эти транзисторы.

Используются транзисторы как с каналом n-типа, так и каналом p-типа.

Силовые полевые транзисторы, как и биполярные, обычно работают в ключевом режиме. Поэтому для них, как и для биполярных транзисторов, важными величина­ми являются напряжение в открытом состоянии (теперь это напряжение и_ис между истоком и стоком), а также вре­мя включения и время выключения. Рабочая точка тран­зистора в открытом состоянии находится в линейной («омической») области, причем напряжение и_ис определя­ется сопротивлением r_ис цепи исток—сток транзистора. Поэтому это сопротивление является важным параметром полевого транзистора. В справочниках оно указывается для заданного напряжения и_из между истоком и затвором. Зная ток стока i_c, напряжение и_ис легко вычислить, вос­пользовавшись законом Ома:

U_ис =I_с * r_ис

Часто говорят не о сопротивлении цепи исток—сток, а о сопротивлении канала, так как оно составляет значи­тельную долю сопротивления r_ис.

Проблема уменьшения сопротивления цепи исток— сток и, в частности, сопротивления канала в настоящее время является одной из наиболее актуальных и успешно решается. Постоянно появляются новые типы силовых полевых транзисторов со все меньшими значениями этих сопротивлений.

Один из путей уменьшения сопротивления канала — уменьшение его длины. Поэтому силовые транзисторы имеют короткие каналы.

Многоканальностъ силовых полевых транзисторов. Для снижения сопротивления цепи исток—сток и увеличения максимально допустимого тока стока в силовых транзис­торах используют многоканальные структуры (число ка­налов — сотни и тысячи), причем каналы соединяют па­раллельно.

Параллельное соединение большого количества кана­лов оказывается возможным потому, что при увеличении температуры в допустимом диапазоне сопротивление кана­ла увеличивается. Если по какой-либо причине некоторый канал окажется перегруженным током, то его температура возрастет. Это приведет к увеличению сопротивления ка­нала и к уменьшению его тока. Равномерная загрузка ка­налов токами восстановится.

Высокая теплостойкость силовых полевых транзисторов. Свойство канала увеличивать сопротивление при увеличе­нии температуры является одним из важнейших достоинств полевого транзистора. Это свойство резко снижает веро­ятность саморазогрева и вторичного пробоя, описанных при рассмотрении биполярного транзистора. Оно препят­ствует дальнейшему росту тока стока при токовых пере­грузках. Это свойство также позволяет использовать па­раллельное включение силовых транзисторов без дополнительных элементов.

Вертикальная структура силового полевого транзисто­ра. Структуру маломощного полевого транзистора форми­руют на одной стороне полупроводниковой пластины. С одной стороны расположены исток, затвор и сток. Та­кую структуру называют горизонтальной. Иллюстрацией может служить схематическое изображение структуры МДП-транзистора с индуцированным каналом, приведен­ное выше.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру, для которой характерно то, что исток и затвор расположены с одной стороны полупроводниковой пласти­ны, а сток — с другой. Электроны или дырки значительную часть пути между истоком и стоком движутся в поперечном направлении по отношению к пластине полупроводника.

Горизонтальный и вертикальный каналы. В силовых транзисторах (имеющих вертикальную структуру) канал может располагаться как горизонтально, так и вертикаль­но (если говорить более точно, то почти вертикально). Горизонтальный канал формируют параллельно, а верти­кальный — почти перпендикулярно по отношению к по­верхности полупроводниковой пластины.

МДП-транзистор, изготовленный методом двойной диф­фузии (ДМДП-транзистор). Этот транзистор имеет гори­зонтальный канал. Дадим схематическое изображение структуры такого транзистора с каналом р-типа (рис. 1.156). На рисунке показан один элемент структуры, содержащий один канал.

Подложкой является слой полупроводника n-типа. Истоком является верхний слой полупроводника p-типа.

Подложка соединена с истоком через металлический контакт. Назначение этого соединения было указано при описании полевых транзисторов.

Легко увидеть, что структура содержит паразитный транзистор типа р-п-р и паразитный диод (образованный подложкой и нижним слоем полупроводника p-типа).

Изобразим эквивалентную схему структуры ДМДП (рис. 1.157).

В эквивалентную схему входит сопротивление R₆ базо­вой области биполярного транзистора. Это сопротивление достаточно малое, поэтому в обычных режимах биполяр­ный транзистор закрыт (соответствующие пояснения были даны при изучении силового биполярного транзис­тора) и оказывает слабое влияние на процессы в структу­ре полевого транзистора.

Однако при быстром нарастании напряжения и_ис, т. е. при большом значении производной этого напряжения по времени du_uc/dt через паразитные емкости, не показанные на эквивалентной схеме, начинает протекать ток базы, который может открыть биполярный транзистор. Это мо­жет привести к выходу из строя силового полевого тран­зистора. Описанный эффект называют эффектом du/dt.

Диод, в зависимости от особенностей структуры сило­вого транзистора, включают в эквивалентную схему или так, как показано сплошной линией, или так, как пока­зано пунктирной.

Если потенциал истока больше потенциала стока, что соответствует нормальному включению транзистора, то диод заперт.

V-образный МДП-транзистор (УМДП-транзистор). Канал рассматриваемого транзистора — вертикальный.

Приведем схематическое изображение структуры тако­го транзистора с каналом p-типа (рис. 1.158). Этот рису­нок соответствует одному элементу структуры, содержа­щему два канала.

Легко заметить, что структура УМДП-транзистора по­добна структуре ДМДП-транзистора. Поэтому и эквива­лентная схема по существу остается прежней.

Эффект Миллера. Этот эффект имеет место и в бипо­лярном транзисторе, но особые проблемы он создает при использовании именно полевых транзисторов.

Обратимся к схеме (рис. 1.159) на основе МДП-тран-зистора с каналом р-типа, на которой показаны емкости

С_зи и С_ж транзистора (рассмотрены при изучении полевого транзистора).

Через и_ист обозначено напряжение, через i_ucm — ток, а через R_ucm — выходное сопротивление источника входно­го сигнала.

Когда напряжение и_ист равно нулю, напряжение и_из также равно нулю и транзистор находится в режиме отсеч­ки. При этом ток нагрузки i_H равен нулю и поэтому выпол­няется равенство и_ж = Е_с (используя второй закон Кирх­гофа и закон Ома, легко показать, что и_ис = Е_с — /_я • R_H).

Учитывая, что и_ш = 0, получаем и_зс = и_ис — Е_с (в соот­ветствии со вторым законом Кирхгофа и_зс = и_ис — и_из). Та­ким образом, проходная емкость С_зс будет заряжена до напряжения источника питания. Полярность этого напря­жения показана на рис. 1.159.

При возникновении напряжения и_ист достаточной ве­личины транзистор начинает открываться.

Вначаче рассмотрим идеализированную ситуацию, ког­да влияние проходной емкости С_зс несущественно (хотя реально именно эта емкость играет основную роль). При этом напряжение на входной емкости С_зи (т. е. напряже­ние и_из) будет увеличиваться по экспоненциальному зако­ну с постоянной времени τ, которая определяется выра­жением τ = R_ucm * С_зи. Чем больше входная емкость С_зи, тем медленнее будет открываться транзистор (что, как отме­чалось при изучении силовых биполярных транзисторов, имеет негативные последствия). Полярность напряжения на входной емкости показана на рис. 1.159.

Теперь перейдем непосредственно к изучению эффек­та Миллера и рассмотрим влияние проходной емкости С_зс на процесс заряда входной емкости С_зи.

Увеличение тока нагрузки будет приводить к уменьше­нию напряжения U_ис (так как и_ис = Е_С- i_H * R_H) и к умень­шению напряжения и_зс (так как и_зс = и_ис - и_ш , причем напряжение и_ис уменьшается, а напряжение и_из увеличи­вается). Проходная емкость С_зс начнет разряжаться. На рисунке указано условно положительное направление для тока /_с этой емкости, соответствующее положительным значениям тока разряда.

Легко заметить, что ток i_c будет препятствовать росту напряжения и_из. В результате напряжение и_из будет увели­чиваться значительно медленнее, чем в идеализированной ситуации.

При запирании транзистора проходная емкость также будет оказывать вредное влияние, замедляя уже процесс выключения транзистора.

Для количественной оценки степени влияния проход­ной емкости вычисляют эквивалентную входную емкость С _зи.экв . Эквивалентная емкость в идеализированной ситуации так же замедляет процесс переключения, как и со­вместно действующие две емкости в реальной ситуации. Можно показать, что

Сс_из._жв = С_зи + С_зс * (К_и +1),

_где К_и - коэффициент усиления по напряжению схемы.

Легко показать, что в случае, когда сопротивление Я_н не очень большое,

К_и = S *R_H,

где S — крутизна стокозатворной характеристики (рас­смотрена при изучении полевых транзисторов).

Эквивалентная емкость может многократно превышать входную емкость С_зи.

Эффект Миллера состоит в увеличении входной экви­валентной емкости из-за влияния проходной емкости.

Эффект Миллера, с одной стороны, замедляет пере­ключение транзистора, а с другой — увеличивает ток, по­требляемый от источника входного сигнала. Иногда этот ток настолько возрастает, что работа источника входного сигнала нарушается.

Область безопасной работы. Одним из преимуществ си­ловых полевых транзисторов по сравнению с биполярными является расширение области безопасной работы, так как ограничение по вторичному пробою исчезает (рис. 1.160).

При уменьшении длительности импульсов тока стока отрезок АВ перемещается вверх, а отрезок ВС — вверх и вправо. При достаточно коротких импульсах область бе­зопасной работы становится прямоугольной.