MOSFET
Curs 4 MOSFET
1. Clasificarea tranzistoare cu efect de câmp
4. Construcția și caracteristicile MOSFETs ridicate
4. termoizolate poarta tranzistor bipolar
1. Clasificarea tranzistoare cu efect de câmp
Un tranzistor cu efect de câmp (FET) - un dispozitiv semiconductor în care controlul curent se realizează schimbarea de conductivitate a canalului prin efectuarea câmpului electric transversal. Spre deosebire de curent bipolar al FET cauzate de fluxul de purtători majoritari.
Electrozi FET sunt numite sursa (S), de scurgere (C), iar poarta (G). Tensiunea de comandă este aplicată între poarta și sursa. Tensiunea între poarta și sursa depinde de conductivitatea canalului, prin urmare, cantitatea de curent. Astfel, efectul câmpului tranzistorul poate fi privit ca o sursă de curent, poarta de tensiune controlat. Dacă amplitudinea schimbării semnalului de control este suficient de mare, rezistența canalului poate varia în limite foarte largi. În acest caz, FET poate fi folosit ca o cheie electronică.
Prin construcție, pot fi împărțite FET în două grupe:
o joncțiune de control p-n;
poarta de metal izolat din canalul de un izolator. Tranzistoarele de al doilea tip este numit MISFET (Metal -
Izolator - Semiconductor). In majoritatea cazurilor, dielectric este dioxid de siliciu SiC 2. MOSFETs nume, prin urmare, utilizate în mod obișnuit (de metal - oxid - semiconductor).
Conductivitatea canalul FET poate fi de electroni sau o gaură. Dacă canalul a electronului de conductivitate, acesta sa referit la canal tranzistor n-. tranzistor canal având tip p conductivitate, numit canal p. Canalul MOSFET poate fi îmbogățit sau sărăcit de purtători de sarcină de către acestea. Astfel, conceptul de „câmp tranzistor cu efect“ include șase tipuri diferite de dispozitive semiconductoare.
MOSFETs sunt utilizate pe scară largă în domeniul electronicii de putere moderne. În comparație cu alte materiale semiconductoare
dispozitive, cum ar fi tranzistoarele bipolare sau tiristoare, ele au următoarele avantaje:
1. timpul de comutare mici și, prin urmare, pierderile de comutație mici;
2. redus de energie consumată pentru comutarea;
4. Capacitatea de a folosi bine stabilite MOS de fabricație tehnologii cu circuite integrate.
Principalele aplicații de mare putere MOS tranzistoov - elemente de acționare de curent alternativ convertoare de frecvență electrice pentru instalații electrotechnological surse de alimentare secundare. Aceste dispozitive sunt utilizate în principal canal MOSFETs induse. Prin urmare, în viitor, acesta va fi considerat în primul rând, doar astfel de dispozitive.
Tranzistor MOS cu un canal indus. Structura tranzistorului cu canal indus de tip n prezentat în Fig. 4.1, de asemenea. Fig. 4.1.b având în vedere notație sa grafică condiționată. Substratul servește ca (cristal de siliciu de tip p. La tranzistori MOS are o ieșire suplimentară de substrat. Poarta de metal este separat de stratul semiconductor de material dielectric. Stratul dielectric de bioxid de siliciu se utilizează 0.002-0.05 microni grosime este cultivat pe suprafața de tip siliciu n. Zonele foto iar sursa dopate cu mai mult de un canal, și marcat cu n +.
Canalul are loc numai atunci când este aplicat la poarta de tensiune de o anumită polaritate. La tensiune zero, deconectat de canal. Astfel, între drena și sursa include doi înapoi părtinitoare joncțiune p-n. Un nod p n- format la interfața dintre substrat și de scurgere, iar celălalt - între substrat și sursa. Astfel, la poarta de tensiune zero, rezistența între scurgere și sursa este foarte mare, curentul de scurgere este neglijabil, iar tranzistorul este în stare cut-off.
Dacă sursa de tensiune poarta-sursă este pornit (fig. 4.2), câmpul electric împinge gaura obturatorului de la suprafața stratului de substrat și atrage electroni în acest strat. Ca rezultat, în regiunea substrat adiacent dielectric, un canal conducător de tip n. Un astfel de canal este numit indus. Odată cu creșterea de tensiune pozitivă poarta-sursă de comunicare U crește concentrația electronilor în canal, crescând astfel conductivitatea sa.
Dacă între scurgere și sursa de tensiune pozitivă este aplicată, se produce un canal de curent indus de scurgere. Valoarea sa depinde de comunicații de tensiune U. și de scurgere de tensiune-sursă U B. tensiune poarta de la care există un curent de scurgere apreciabil, numit prag și notat U 0. Tensiunea de prag a tranzistorului MOS cu canal de tip n indus este pozitiv. Valoarea sa este de moderne de mare putere MOS tranzistori 2 - 4 V.
Cu cât tensiunea de poarta-sursă depășește pragul, cu atât mai mare numărul de electroni este tras în canal, crescând conductivitatea. Dacă tensiunea de scurgere-sursă este mică, conductivitatea canalului este proporțională cu diferența dintre U comunicare - U 0.
În cazul în care tensiunea de scurgere-sursă depășește tensiunea de saturație comunicare ne = U U - U 0. tranzistor trece în modul de saturație este oprit și creșterea actuală. Motivul este că tensiunea între poarta și suprafața canalului este redusă în direcția de curgere. Aproape de sursa, este egală cu link-U. și în vecinătate Foto - diferența de comunicare U - U B. Prin urmare, prin creșterea U B secțiunea tensiune a canalului scade spre scurgere, iar rezistența crește. Când valorile U B. care depășește tensiunea de saturație, canalul este blocat, iar curentul de scurgere
neschimbat. Este evident că fiecare valoare
valoarea tensiunii de saturație.
Familia caracteristicilor de ieșire ale tranzistorului indus canalul prezentat în Fig. 4.4. Privind caracteristicile de ieșire pot fi identificate regiunea liniară (triodă), cutoff și regiunea de saturație. Limita dintre regiunea liniară și regiunea de saturație prezentată în Fig. 4.3 linie punctată.
Comunicația Modul cutoff U
În liniar (triodă) Mod de comunicație U> 0. U și tensiune de scurgere-sursă nu depășește tensiunea de saturație
B U £ U avem U = comunicare - U 0.
Caracteristica de ieșire la o porțiune care corespunde regimului liniar este aproximată prin expresia
Cu I = b [(comunicare U - U 0) U B - 0,5 U B 2].
În (4.2) p - subsurface mobilitate purtătoare, C 0 - capacitate specifică
Poarta-canal, L - lungimea, W - canal de lățime de bandă.
În cazul în care tensiunea de scurgere-sursă este mică, așa cum este adesea pulsul, și schemele cheie, un termen pătratică în (4.1) pot fi neglijate. În acest caz, vom obține o dependență liniară:
Cu I = b (comunicare U - U 0) U B.
Cantitatea b (U comunicare - U 0) se numește conductivitatea canalului. și reciproc - rezistență canal:
R B = b (U link 1 - U 0).
Astfel, la joasă tensiune drena-sursă de tranzistor MOS rezistor liniar echivalent a cărui rezistență este guvernată de poarta de tensiune. Rezistența rezistor echivalent poate varia de la zeci de ohmi la zeci de megohmi. În cazul în care comunicațiile U
canal Mod de saturație MOSFET indusă are loc atunci când comunicarea U> 0. U și tensiunea drena-sursă depășește tensiunea de saturație
U B ³ U = U ne comunicare - U 0.
În producția de ramură caracteristici de saturație sunt dispuse aproape orizontal, adică. E. curent de scurgere este practic independent de tensiunea U B. Astfel, în modul de saturație MOSFET canal are
rezistență ridicată și tranzistorul este echivalentă cu o sursă de curent controlată de tensiune poarta-sursă.
DOMENIUL saturație este de lucru, în cazul în care tranzistorul este utilizat pentru a amplifica semnalele. Zonele cutoff și liniară utilizată atunci când tranzistorul funcționează în modul cheie.
Caracteristica de transfer a tranzistorului MOS cu canal indus este prezentat în Fig. 4.4. La poarta de la zero de scurgere de tensiune de curent este zero. curent Notabil apare când tensiunea de poarta depășește valoarea de prag U 0.
Caracteristica de transfer a tranzistorului MOS în regiunea de saturație este aproximată prin expresia
transconductance specifică a MOSFET este determinată prin expresia (4.2).
MOSFETs cu canal integrat. Structura cu o construit MOPtranzistora tip canal n este prezentat în Fig. 4.5, de asemenea. Fig. 4.5, b este dată simbolul său grafic convențional. Substratul (de tip p cristal de siliciu) servește pentru a crea în ea n-tip canal.
Atunci când se aplică o tensiune negativă la poarta poarta electrodului metalic este încărcată negativ. Y adiacentă stratului de suprafață depleție canal dielectric este format. Lățimea stratului de epuizare depinde de comunicațiile de tensiune U. Un astfel de mod de funcționare a tranzistorului MOS atunci când concentrația de purtători în canal este mai mică decât valoarea de echilibru, numit modul de epuizare. La o anumită valoare a canalului de comunicație U tensiune negativă este complet strat sărăcit este suprapus și opritoarele curente. Această tensiune este numită tensiune cut-off a MOSFET cu U UTS încorporat canal și este notat.
Source n + (siliciu)
MOSFET curent cu canal integrat la poarta de tensiune zero, are o valoare diferită de zero, numit inițial I cu mai devreme. Dacă U relație> 0. Numărul de electroni crește de canal. Acest lucru crește conductanței canalului. Un astfel de mod de funcționare a tranzistorului cu canal integrat, în care concentrația de purtător în canal este mai mare decât un mod de echilibru se numește îmbogățire.
Astfel, un tranzistor MOS cu un canal încorporat poate funcționa în modul de epuizare sau de modul de accesoriu, cu un link U tensiune pozitivă. Caracteristicile de ieșire MOPtranzistora cu canal încorporat tip n este prezentat în Fig. 4.6.
Caracteristica de transfer a MOSFET cu un canal încorporat este prezentat în Fig. 4.7.
Valoarea inițială a curentului de scurgere a MOSFET cu canal integrat definit prin expresia
Nach I c = μ C 0 W L U 0 2.
Aici μ - subsurface mobilitate purtătoare, C 0 - capacitate specifică de poarta-canal. Canalul Lungimea L egală cu distanța dintre sursa și regiunile de scurgere și o lățime W - lungimea acestor regiuni.
4. Construcția și caracteristicile MOSFETs ridicate
Power MOSFETs sunt rezultatul dezvoltării tehnologiei integrate MOS. Necesitatea de a dezvolta astfel de dispozitive a fost motivată de faptul că tranzistori de putere bipolare necesită o mare curenți de control, și au performanțe limitate.
Structura MOSFETs mică putere, discutat mai sus, nu este potrivit pentru dispozitivele electronice de putere. MOPtranzistora drena curent de funcționare în modul de saturație este determinată prin formula (4.3). Pentru creșterea curentului necesar pentru a crește raportul W L. Cu toate acestea, reducerea lungimii canalului L conduce la o scădere a tensiunii de avarie. Prin urmare, modelul orizontal prezentat în Fig. 4.1 nu este potrivit pentru dispozitivele de putere, în cazul în care tensiunea de scurgere-sursă poate ajunge la sute de volți.
tranzistori MOS de putere au o structură verticală (fig. 4.8). Un electrod de scurgere situat în partea de jos, și nu coplanare cu sursa, ca în MOSFETs de putere mică. Dispozitivul este alcătuit dintr-un ușor dopat n - - regiune, oferind o tensiune ridicată între drena și sursa.
Dacă tensiunea poarta-sursă depășește tensiunea de prag U 0. sub stratul dielectric în zonele P- apare canalul conductor orizontal. Lungimea sa este egală cu L (fig. 4.8)
Fluxul de electroni prin canalul format și n - - trece aproape de regiunea de scurgere strat. direcția fluxului de electroni este prezentată în Fig. 4.8 linie punctată
Lungimea canalului L a tranzistorului MOS într-o astfel de construcție este de 1-2 microni. În același timp, tensiunea defalcarea între drena și sursa poate ajunge la sute de volți, iar curentul sursă - zeci de Amperi. Acest lucru se datorează faptului că regiunea de sarcină spațială este localizată în principal în regiunea de scurgere ușor dopat, și nu afectează canalul. Tensiunea maximă de scurgere-sursă depinde de gradul de dopaj n - - stratul și grosimea acesteia.
Structura MOSFET putere este semnificativ diferită de cea a tranzistori de semnal mic. În același timp, caracteristicile dispozitivelor sunt similare. Tensiunea de prag de putere MOSFET variază între 2 și 4 V. În modul de saturație, comunicarea dintre curent de scurgere și poarta-sursă de tensiune este definită de ecuația (4.3). Cu toate acestea, pentru valori mari ale tensiunii U transfer de comunicare caracteristică este aproape liniară. Acest lucru se datorează faptului că, odată cu creșterea tensiunii de scurgere-sursă, câmpul electric din canal atinge o valoare critică, iar viteza purtătorilor de sarcină se oprește în creștere (efect de saturație viteza).
În regiunea liniară a caracteristicii de transfer a curentului de scurgere este dată de
I c = C 0 1 WV Februarie în o (comunicare U - U 0).
Aici V pe - purtătoare de saturație a vitezei. este aproximativ aceeași pentru electroni și goluri și este de aproximativ 10 5 m / s.
Conductanța de transfer a tranzistorului MOS g m este proporțională cu W. lățimea canalului Ca dispozitive de putere au dimensiuni geometrice relativ mari, este mare și transferul conductivitatea.
tranzistori puternice MOS funcționează în mod avantajos în modul cheie. Prin urmare, este rezistența canalului în starea deschisă a celor mai importanți parametri pentru ei, precum și ON și OFF.
Joasă tensiune MOS verticale tranzistori grosime n - - stratul este mic, iar proporția principală a rezistenței canalului este numai puternic dopat n + - strat. Tranzistoarele o tensiune nominală de scurgere-sursă de o contribuție de 100 V principal la rezistența canalului contribuie n - - strat.
Design de tranzistori MOS moderne poate reduce rezistența la canal de carduri la mai puțin de 0,1 ohmi. O astfel de rezistență scăzută pentru a avea structuri multi-canal în care sunt conectate canale paralele. Numărul de canale în același timp, poate fi de până la câteva mii. rezistență paralelă a canalelor MOS tranzistor posibile, deoarece ca temperatura crește rezistența crește canal. Dacă, din orice motiv, curentul de unul dintre canalele crește, cresc, iar temperatura sa. Acest lucru va crește rezistența de canal și o scădere curent. Astfel, în paralel a canalelor tranzistoarelor MOS asigurată în mod automat de curenți egali.
Avantajul de mare putere MOSFETs bipolară înainte de vitezele mari de comutare (1-10 ns la 1 ms la dispozitivele bipolare) și puterea scăzută cheltuite pentru managementul.