Биполярные транзисторы и птиз
В 1947 году Джоном Бардином (John Bardeen), Уолтером Бретайном (Walter Brattain) и Уильямом Шокли (William Shockley) был разработан биполярный транзистор. Подробнее об истории создания биполярного транзистора см.: [Shubert], [Левин2005], [LukasiakJakubowski2010]. Информацию о современном состоянии технологий создания БТ можно найти в [Baliga2008, p. 507-623].
В сравнении с вакуумными трубками у БТ много преимуществ (подробнее см. [Transistor-Tubes]):
Малые габариты и малый вес, позволяющие делать миниатюрные электронные устройства.
Легко автоматизируемый процесс производства, делающий транзисторы дешевле вакуумных трубок.
Более низкие, чем у вакуумных трубок, рабочие напряжения, делающие транзисторы пригодными в схемах, где источниками питания являются батарейки.
Не требуется времени на разогрев катода.
Долгий срок службы (до 30 лет).
Нечувствительность к вибрациям.
Возможность построения интегральных схем из множества транзисторов.
Рассмотрим некоторые процессы, протекающие внутри БТ, так как их понимание важно для успешного освоения материала, связанного с БТИЗ.
БТ содержит два p-n перехода. Между p-областью и n-областью происходит диффузия: электроны из n-области переходят в p-область, a дырки из p-области переходят в n-область. В результате создаётся электрический ток, имеющий электронную и дырочную составляющие.
При уходе дырок из p-области в ней остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторов, зафиксированных в кристаллической решётке основного полупроводника. Поясним, что акцепторная примесь создаёт в кристалле полупроводника дополнительные свободные носители тока --- дырки, заряд которых считается положительным. Например, такой примесью будет трёхвалентный бор в кристаллической решётке четырёхвалентного кремния: при добавлении такой примеси получается дырочный полупроводник, иными словами, полупроводник p--типа.
В свою очередь, при уходе электронов из n--области, в ней остаётся нескомпенсированный положительный заряд ионов доноров, зафиксированных в кристаллической решётке основного полупроводника. Донорная примесь создаёт в полупроводнике дополнительные носители тока --- электроны, заряд которых считается отрицательным. К примеру, донорный пятивалентный атом мышьяка, будучи добавленным в кристаллическую решётку четырёхвалентного кремния, удерживает пятый свой электрон слабее, чем те четыре, что связаны с атомами кремния. В результате, образуется дополнительное количество свободных электронов, оторвавшихся от атома мышьяка. Наличие дополнительных свободных электронов в полупроводнике, способствует тому, что встречи дырок со свободными электронами (рекомбинация) происходят чаще и, таким образом, дырок в полупроводнике n--типа (электронном полупроводнике) оказывается меньше, чем в полупроводнике без примесей (собственном полупроводнике), а свободных электронов --- больше.
Итак, нескомпенсированные заряды ионов на границе каждого p--n перехода образуют контактное поле (см. [ПарфёновЗакировБолтакова2004, с. 8]), условно показанное на рисунке. Подробнее см.: [БочаровГогоберидзеПершинПетровШтагер], раздел "P- N- переход как основа полупроводниковых диодов и транзисторов". Также см.: [НикулинНазаров1976, с. 88-96].
Если полярность контактного поля и поля внешнего источника совпадают (обратное включение p--n перехода) происходит увеличение потенциального барьера, который нужно преодолеть основным носителям заряда и, как следствие, p--n переход условно считается закрытым --- ток основных носителей заряда останавливается потенциальным барьером и в переходе протекает лишь очень малый дрейфовый ток (ток неосновных носителей, движущихся в полупроводнике хаотично и в малых количествах). Подробнее см.: [КононенкоМишковичМухановПланидинЧеголин2007, с. 683-691].
Рассмотрев свойства p--n переходов, перейдём к вопросу о том, почему БТ не подходит для использования в некоторых устройствах. Оказывается у него есть значительное количество недостатков:
Невысокая скорость коммутации. Из-за значительной величины времени запирания БТ не могут переключаться с частотой более 10 кГц.
Возможность теплового пробоя при отсутствии ограничения тока коллектора. Такое возможно и без предварительного электрического пробоя.
Необходимость относительно большого тока базы для включения. Напряжение насыщения цепи эмиттер -- коллектор ограничивает минимальное рабочее напряжение.
Наличие токового "хвоста" при запирании: ток не спадает мгновенно после закрытия транзистора (ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления);
Чувствительность к температуре (подробнее см. [ТитцеШенк2008, с. 73-74].
Помимо всего прочего, биполярный транзистор, как и все силовые полупроводниковые приборы характеризуется предельными параметрами, значение которых не рекомендуется превышать. Речь идёт о:
максимальных напряжениях;
максимальных токах;
максимальной мощности рассеяния.
В 50-е годы XX века началось активное развитие технологий создания полевых транзисторов (ПТ). Сначала широкое распространение получили ПТ с управляющим p-n переходом. В 60-х годах появились ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Подробнее об истории создания этих приборов см. [Квон2005], [Timeline2007].
Ниже представлены условные обозначения разных типов полевых транзисторов.
Стрелка на условном обозначении указывает направление от слоя p к слою n.
В ПТИЗ используется структура состоящая из металла и полупроводника, разделённых слоем окисла (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).
Если подать на затвор ПТИЗ напряжение положительное относительно подложки, электрическое поле оттолкнёт дырки, находящиеся близко к поверхности затвора вглубь подложки, а электроны притянет. В момент когда на затворе достигается пороговое напряжение, под затвором образуется область, где электронов становится достаточно, чтобы произошла инверсия типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника: между n-областями стока и истока образуется индуцированный канал n типа, по которому движутся электроны. Иными словами, ПТИЗ с индуцированным каналом открывается если напряжение затвор-исток превышает некоторый пороговый уровень.
В ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении затвор-исток под затвором уже существует специальный инверсный слой, получаемый ионным легированием. Таким образом, проводящий канал сток-исток изначально открыт и управляется напряжением, подаваемым на затвор.
Канал ПТИЗ, как встроенный, так и индуцированный (наведённый), может быть n-типа или p-типа. В n-канальных ПТИЗ, которые в современных устройствах встречаются чаще, чем p-канальные, сток и исток являются сильно легированными n-областями. Подложка --- p-областью.
ПТИЗ обладает следующими достоинствами по сравнению с БТ:
ПТИЗ управляется не током, а напряжением. ПТ --- это потенциальный прибор: перевод его из закрытого в открытое состояние и наоборот осуществляется если создать разность потенциалов между затвором и истоком. Таким образом, управление состоянием транзистора производится электрическим полем, а не током. В момент переключения ток в цепи затвора протекает лишь в течение малого промежутка времени. Управление напряжением снижает мощность, необходимую для переключения транзистора из одного состояния в другое.
Скорость выключения ПТИЗ выше, чем у БТ. В базу БТ, в процессе его работы, инжектируются неосновные носители заряда. До того как истечёт время рассасывания этих зарядов транзистор остаётся в открытом состоянии и коллекторный ток сохраняется. После рассасывания неосновных носителей заряда, начинают спадать ток базы и ток коллектора. Для ускорения запирания биполярного транзистора к его базе может быть приложено обратное напряжение, что, однако, усложняет схему.
Параметры ПТИЗ меньше зависят от температуры, чем параметры БТ.
Благодаря использованию многоячеистых интегральных схем в ПТИЗ удаётся значительно снизить пороговое напряжение для преодоления потенциального барьера (контактного поля, о котором говорилось выше) p-n перехода и переключения транзистора в рабочий режим.
Подробности о достоинствах мощных ПТИЗ (Power MOSFET) могут быть найдены в [БачуринВаксенбургДьяконовМаксимчукРемневСмердов1994, с. 6-7].
ПТИЗ применяется в логических элементах компьютерной техники (см. [БабичЖуков2004, с. 86-90]), импульсных источниках питания с рабочими частотами выше 100 кГц, устройствах заряда аккумуляторов. Отметим также использование ПТИЗ для построения ячеек флэш-памяти (подробнее см. [ЛачинСавёлов2007, с. 110-111]).
Несмотря на наличие недостатков, технологии, используемые при создании ПТИЗ продолжают развиваться. В частности, появляются новые способы уменьшения активного падения напряжения на приборе, уменьшения ёмкости затвора (gate capacitance), а также заряда затвора (gate charge). Подробнее см.: [Baliga2008, p. 498-499].