МОП транзисторы
.pdf29
Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ
План
1.Классификация полевых транзисторов
2.МОП-транзисторы
4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов
4.Биполярные транзисторы с изолированным затвором
5.Выводы
1. Классификация полевых транзисторов
Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.
Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвористок. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.
По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:
суправляющим p–n-переходом;
сметаллическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл –
диэлектрик – полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-транзисторы (металл – оксид – полупроводник).
Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными. В МОП-транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов.
МОП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. По сравнению с другими полупроводниковыми
30
приборами, такими как биполярные транзисторы или тиристоры, они обладают следующими преимуществами:
1.Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении;
2.Малая мощность, затрачиваемая на переключение;
4. Возможность использования хорошо отработанных технологий производства МОП-интегральных схем.
Главные области применения мощных МОП-транзистоов – электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнологических установок, источники вторичного электропитания. В таких устройствах используются преимущественно МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться в основном именно такие приборы.
2. МОП-транзисторы
МОП-транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 4.1, а. На рис. 4.1, б приведено его условное графическое обозначение. Подложкой служит (кристалл кремния p-типа. У МОП-транзисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0.002–0.05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния n-типа. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+ .
Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n- перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки.
Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 4.2), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным. С увеличением положительного напряжения затвор-исток U зи растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость.
31
а |
б |
Рис. 4.1
|
С |
|
Е с и |
З |
p |
|
||
|
|
И |
32 Рис. 4.2
Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения U зи , так и от напряжения сток-исток U си . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают U 0 . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 – 4 В.
Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности U зи −U0 .
Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения Uнас =Uзи −U0 , транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно U зи , а в окрестности стока – разности U зи −Uси . Поэтому при увеличении напряжения U си сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях U си , превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока
остается |
практически |
неизменным. Очевидно, что каждому значению |
U зи >U0 |
соответствует |
свое значение напряжения насыщения. |
Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис. 4.4. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 4.3 пунктиром.
В режиме отсечки Uзи <U0 , Iс = 0 . Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению U зи =U0 .
Рис. 4.3
33
В линейном (триодном) режиме U зи >U0 , а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения
Uси £Uнас =Uзи -U0 .
Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением
Iс = b[(Uзи − U0 )Uси − 0.5Uси2 ] . |
(4.1) |
Здесь b – удельная крутизна МОП-транзистора: |
|
b = μC0 W . |
(4.2) |
L |
|
В (4.2) μ – приповерхностная подвижность носителей, C0 – удельная емкость
затвор-канал, L – длина, W – ширина канала.
Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, квадратичным слагаемым в (4.1) можно пренебречь. В этом случае мы получаем линейную зависимость:
Iс = b(Uзи − U0 )Uси .
Величину b(Uзи −U0 ) называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала:
Rси = b(U зи1−U0 ) .
Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если U зи <U0 , сопротивление канала практически бесконечно. С увеличением U зи сопротивление уменьшается.
Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда U зи >U0 , а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения
Uси ³Uнас =Uзи -U0 .
Вобласти насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения U си . Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет
высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.
34
Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.
Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 4.4. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение U 0 .
Рис. 4.4
Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением
Iс |
= |
1 b(U |
зи −U0 )2 . |
(4.3) |
|
|
2 |
|
|
Удельная крутизна характеристики МОП-транзистора определяется выражением (4.2).
МОП-транзисторы с встроенным каналом. Структура МОПтранзистора с встроенным каналом n-типа показана на рис. 4.5, а. На рис. 4.5, б приведено его условное графическое обозначение. Подложка (кристалл кремния p-типа) служит для создания на ней канала n-типа.
При подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения U зи . Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения U зи канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают U отс .
|
35 |
Сток |
Сток |
|
(кремний) |
n+ |
Подложка |
|
(кремний) |
Канал 
(кремний)
Затвор |
p |
|
Диэлектрик |
||
|
||
(SiO2) |
|
Исток n+ (кремний)
Исток |
Подложка |
|
|
а |
б |
Рис. 4.5
Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным I с нач . Если U зи > 0 , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.
Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении U зи . Выходные характеристики МОПтранзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис. 4.6.
36
Uзи = 1 В
Uзи = 0 В
U = –0.5 В
Uзизи =
–1
В
Uзи =
–2 В
Рис. 4.6
Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом показана на рис. 4.7.
Iс нач
Uотс 
Uзи
Рис. 4.7
Начальное значение тока стока МОП-транзистора с встроенным каналом определяется выражением
Ic нач = μC0 WL U02 .
Здесь μ – приповерхностная подвижность носителей, C0 – удельная емкость затвор-канал. Длина канала L равна расстоянию между областями стока и истока, а ширина W – протяженности этих областей.
37
4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов
Силовые МОП-транзисторы появились в результате развития интегральных МОП-технологий. Необходимость разработки таких приборов мотивировалась тем, что мощные биполярные транзисторы требуют больших управляющих токов, а также имеют ограниченное быстродействие.
Структура маломощных МОП-транзисторов, рассмотренная выше, непригодна для устройств силовой электроники. Ток стока МОПтранзистора, работающего в режиме насыщения, определяется формулой (4.3). Для увеличения тока необходимо увеличить отношение W 
L . Однако уменьшение длины канала L приводит к снижению напряжения пробоя. Поэтому горизонтальная структура на рис. 4.1 не подходит для силовых приборов, где напряжения сток-исток могут достигать сотен вольт.
Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру (рис. 4.8). Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов. Прибор содержит слаболегированную n− - область, обеспечивающую высокое напряжение между стоком и истоком.
Рис. 4.8
Если напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение U 0 , под слоем диэлектрика в p-областях возникает горизонтальный проводящий канал. Его длина равна L (рис. 4.8)
Поток электронов через образовавшийся канал и n− - слой попадает в область стока. Направление потока электронов показано на рис. 4.8 пунктиром
Длина канала L в МОП-транзисторе такой конструкции составляет 1-2 мкм. В то же время напряжение пробоя между стоком и истоком может достигать сотен вольт, а ток истока – десятков ампер. Это объясняется тем, что область объемного заряда расположена главным образом в слаболегированной области стока и не влияет на канал. Максимальное напряжение сток-исток зависит от степени легирования n− - слоя и его толщины.
38
Структура мощных МОП-транзисторов существенно отличается от структуры малосигнальных транзисторов. В то же время характеристики приборов похожи. Пороговое напряжение мощных МОП-транзисторов составляет от 2 до 4 В. В режиме насыщения связь между током стока и напряжением затвор-исток определяется равенством (4.3). Однако при больших значениях напряжения U зи передаточная характеристика становится почти линейной. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения сток-исток напряженность электрического поля в канале достигает критического значения, и скорость носителей заряда перестает расти (эффект насыщения скорости).
В линейной области передаточной характеристики ток стока определяется выражением
Ic = 12 C0WV нас (U зи −U 0 ) .
Здесь Vна с – скорость насыщения носителей. Для электронов и дырок она примерно одинакова и составляет примерно 10 5 м/с.
Передаточная проводимость МОП-транзистора gm пропорциональна ширине канала W . Поскольку силовые приборы имеют относительно большие геометрические размеры, большой будет и передаточная проводимость.
Мощные МОП-транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме. Поэтому для них важнейшими параметрами являются сопротивление канала в открытом состоянии, а также время включения и выключения.
В низковольтных вертикальных МОП-транзисторах толщина n− - слоя невелика, и основную долю сопротивления канала составляет сильно легированный только n+ - слой. В транзисторах с номинальным напряжением сток-исток более 100 В основной вклад в сопротивление канала вносит n− - слой.
Конструкции современных МОП-транзисторов позволяют уменьшить сопротивление открытоко канала до величины, меньшей 0.1 Ом. Такое малое сопротивление имеют многоканальные структуры, в которых каналы соединены параллельно. Число каналов при этом может достигать нескольких тысяч. Параллельное сопротивление каналов МОП-транзистора возможно потому, что при росте температуры сопротивление канала увеличивается. Если по какой-либо причине ток одного из каналов увеличится, вырастет и его температура. Это приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока. Таким образом, при параллельном соединении каналов МОП-транзистора автоматически обеспечивается равенство токов.
Преимущество мощных МОП-транзисторов перед биполярными заключается в высокой скорости переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и малой мощности, затрачиваемой на управление.