МОП транзистор принцип работы

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Информация
Сертификаты
Вопрос-ответ
Справочники

Информация
Сертификаты
Вопрос-ответ
Справочники

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый радиокомпонент, используемый для усиления электрического сигнала. В цифровых устройствах схемы на основе ПТ исполняют функции ключей, управляющих переключениями логических элементов. В последнем случае использование полевых транзисторов оказывается крайне выгодным с точки зрения миниатюризации аппаратуры. Это обусловлено тем, что для цепей управления этими радиокомпонентами требуются небольшие мощности, вследствие чего на одном кристалле полупроводниковой микросхемы можно размещать десятки тысяч транзисторов.

Полупроводниковым сырьём для изготовления полевых транзисторов являются следующие материалы:

карбид кремния;
арсенид галлия;
нитрид галлия;
фосфид индия.

Устройство и принцип работы полевого транзистора.

ПТ состоит из трёх элементов – истока, стока и затвора. Функции первых двух очевидны и состоят соответственно в генерировании и приёме носителей электрического заряда, то есть электронов или дырок. Предназначение затвора заключается в управлении током, протекающим через полевой транзистор. Таким образом, мы получаем классический триод с катодом, анодом и управляющим электродом.

В момент подачи напряжения на затвор возникает электрическое поле, изменяющее ширину p-n-переходов и влияющее на величину тока, который протекает от истока к стоку. При отсутствии управляющего напряжения ничто не препятствует потоку носителей заряда. С повышением управляющего напряжения канал, по которому движутся электроны или дырки, сужается, а при достижении некоего предельного значения закрывается вовсе, и ПТ входит в так называемый режим отсечки. Как раз это свойство полевых транзисторов и позволяет использовать их в качестве ключей.

Усилительные свойства радиокомпонента обусловлены тем, что мощный электрический ток, протекающий от истока к стоку, повторяет динамику напряжения, прикладываемого к затвору. Другими словами, с выхода усилителя снимается такой же по форме сигнал, что и на управляющем электроде, только гораздо более мощный.

Распространённые типы полевых транзисторов.

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

1. Управляющий p-n-переход.

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

2. Изолированный затвор.

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками.

Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении. Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Схемы включения полевых транзисторов.

В зависимости от того, каким образом ПТ включается в усилительный каскад, существует три схемы – с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Способы различаются тем, на какие электроды подаются питающие напряжения, и к каким цепям присоединяются источник сигнала и нагрузка.

Схема с общим истоком используется чаще всего, так как именно в этом случае достигается максимальное усиление входного сигнала. Способ включения ПТ с общим стоком используется, главным образом, в устройствах согласования, поскольку усиление здесь небольшое, но входной и выходной сигналы совпадают по фазе. И, наконец, схема с общим затвором находит применение, в основном, в высокочастотных усилителях. Полоса пропускания при таком включении полевого транзистора гораздо шире, чем при других схемах.

Наследие IR: мощные МОП-транзисторы HEXFET

24 сентября 2008

Оценивая масштабы использования МОП-технологий в современной электронной технике, сейчас трудно представить, сколь драматична была история их становления, ведь даже через 30 лет после выхода в конце 1920-х годов первых теоретических работ физика Джулиуса Лилинфельда полевой транзистор можно было наблюдать только как лабораторный курьез. Именно так, в порядке лабораторного курьеза, появился первый МОП-транзистор с металлическим затвором исследователя из Bell Labs доктора Джона Аталла. Однако если на разработку практически пригодных маломощных МОП-транзисторов понадобится лишь несколько лет, то до появления первых мощных МОП-транзисторов пройдет еще 16 лет. Первые в мире мощные МОП-транзисторы, выполненные по технологии MOSPOWER®, представила компания Siliconix в 1976 году, а чуть позже, в 1979 году, компания International Rectifier предложила альтернативную МОП-структуру для построения мощных транзисторов, которая получила название HEXFET®. Так случилось, что именно эти две легендарные компании предопределили развитие мощных МОП-транзисторов в последующие десятилетия и именно они сейчас тесно связаны с другой не менее известной компанией Vishay. В 2005 году было завершено полное присоединение Siliconix к Vishay, начатое еще в 1998 году, а в 2007 году Vishay приобрела производственную линию силовых полупроводников International Rectifier, в которую вошли и популярные HEXFET-транзисторы. МОП-транзисторы Vishay из производственной линии IR представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Корпуса МОП-транзисторов Vishay из производственной линии International Rectifier

Структура HEXFET подразумевает организацию в одном кристалле тысяч параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек, образующих шестиугольник. Такое решение позволило существенно снизить сопротивление открытого канала RDS(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. С точки зрения классификации полевых транзисторов HEXFET относятся к полевым транзисторам с индуцированным каналом, т.е. работают в режиме обогащения канала неосновными носителями, что приводит к инверсии его проводимости. Такие транзисторы открываются только при подаче определенного напряжения между затвором и истоком. Полярность этого напряжения зависит от типа проводимости канала в открытом состоянии. У n-канальных транзисторов это напряжение положительное, а у p-канальных — отрицательное. Напряжение между затвором и истоком, способное вызвать протекание тока между стоком и истоком называется пороговым (VGS(TH)).

Обычно при использовании в качестве коммутаторов, p-канальные транзисторы включаются в разрыв положительной линии питания, при этом ток через них вытекает в нагрузку, а n-канальные — в разрыв отрицательной (или общей) линии питания и ток в них втекает из нагрузки. Однако, ввиду того, что p-канальные транзисторы сопоставимого класса с n-канальными обычно более дорогостоящие и ассортимент их гораздо хуже, в ряде применений общепринято использовать n-канальные и для коммутации в положительной линии питания. Для этого необходимо сток транзистора соединить с положительным питанием, исток — с нагрузкой и, самое сложное, создавать положительное отпирающее напряжение между затвором и «плавающим» при коммутации истоком. Для решения последней задачи выпускаются специальные «high-side» драйверные каскады. Описанный вариант использования n-канальных транзисторов широко используется в полумостовых и полномостовых силовых каскадах регулируемых электроприводов и импульсных преобразователей напряжения.

В приобретенный Vishay ассортимент HEXFET-транзисторов вошли дискретные транзисторы n- и p-типа в различных корпусах, в т.ч. изолированных и для поверхностного монтажа (SMT). Транзисторы охватывают широкий диапазон напряжений (до 1000 В) и тока (до 70 А), и могут использоваться во всех типичных для мощных МОП-транзисторов применениях. К ним относятся:

коммутаторы в импульсных источниках питания и DC/DC-преобразователях, в т.ч. каскады синхронного выпрямления (как альтернатива диоду Шоттки с меньшими потерями мощности) и каскады коррекции коэффициента мощности;
схемы коммутации и распределения электропитания;
схемы выравнивания токов параллельно-работающих каналов;
схемы защиты батарейных источников от протекания реверсного тока, зарядные устройства, схемы балансировки многоэлементных аккумуляторных батарей;
схемы управления электродвигателями;
усилители мощности звуковых частот;
линейные стабилизаторы напряжения, в т.ч. LDO-типа;
мощные источники тока;
ключи общего назначения (например, для управления мощной светодиодной нагрузкой, электромагнитными реле, электромагнитами и т.п.).

При выборе HEXFET-транзистора по напряжению и току важно понимать, что приводимые в справочных таблицах и документации максимальное рабочее напряжение (напряжение пробоя сток-исток V_(BR)DSS)) и максимальный ток стока I_D носят классификационный характер и не могут служит окончательным основанием для выбора транзистора. Значение V_(BR)DSS) характеризует гарантированное напряжение, при котором не наступит электрического пробоя транзистора, а значение максимального тока I_D показывает, до какой величины тока при заданных напряжении затвор-исток и температуре корпуса температура перехода кристалла будет находиться в допустимых границах. Эти данные можно использовать как ориентир, а окончательное решение о выборе транзистора необходимо принимать только руководствуясь графиками области безопасной работы (ОБР) транзистора для статического или импульсного режима работы, которые приводятся в документации. Например, транзистор IRFB11N50A классифицирован на максимальные напряжение 500 В и ток 11 А, но даже в импульсом режиме (длительность проводящего состояния 10 мс) при максимальном напряжении он способен надежно коммутировать гораздо меньший ток (менее 1 А). Величина тока стока также может быть ограничена максимальной температурой кристалла. Чтобы проверить, имеет ли место это ограничение, необходимо выполнить тепловой расчет.

где T_J — температура перехода, T_A — температура окружающей среды, P_D — рассеиваемая транзистором мощность, R_qJA — тепловое сопротивление «переход — окружающая среда».

Величина рассеиваемой мощности в статических и низкочастотных коммутаторах главным образом зависит от потерь проводимости в канале, т.е. P_D = I_D 2 ЧR_DS(on)ЧD, где R_DS(on) — сопротивление канала в открытом состоянии, а D — коэффициент заполнения импульсов (для статического коммутатора D = 1). В более высокочастотных применениях у рассеиваемой мощности также появляется динамическая составляющая, которая зависит от частоты коммутации и величины заряда затвора Q_G, от которого зависит, сколь долго будет происходить включение и отключение транзистора, и выходной емкости C_OSS. Более подробно методика расчета потерь мощности в МОП-транзисторах уже рассматривалась на страницах НЭ [1], поэтому, детали здесь опускаются. Если полученное значение T_J окажется выше предельно допустимого для выбранного транзистора значения или значения, оговоренного техническим заданием, то необходимо выполнить одно из следующих действий вплоть до соблюдения данного условия:

снизить ток стока, например, параллельным включением транзисторов;
выбрать транзистор с более низкими R_DS(on) и, при необходимости, Q_G/C_OSS;
выбрать подобный транзистор, но в корпусе с улучшенными теплорассеивающими свойствами (например, то TO-247 вместо ТО-220);
применить теплоотвод.

МОП-транзисторы в корпусах для поверхностного монтажа

Читать еще: Освещение смотровой ямы в гараже

МОП-транзисторы в SMT-корпусах являются идеальными кандидатами для использования в применениях, где теплорассеивающих свойств корпуса и печатной платы будет достаточно для соблюдения допустимого теплового режима транзистора. В приобретенном Vishay ассортименте транзисторов имеются приборы в SMT корпусах трех типов: D-PAK, D2-PAK и SOT-223. Сориентироваться в выборе транзисторов поможет таблица 1.

Таблица 1. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в SMT-корпусах

МОП-структура

МОП-структура — полупроводниковая структура, применяемая при производстве микросхем и дискретных полевых транзисторов. Полупроводниковые приборы на основе этой структуры называют МОП-транзисторами (от слов «металл-оксид-полупроводник», англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, сокращенно «MOSFET» ), МДП-транзисторами (от слов «металл-диэлектрик-полупроводник») или транзисторами с изолированным затвором (так как у таких транзисторов затвор отделён от канала тонким слоем диэлектрика). [1]

В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением, так как, по причине изолированного управляющего электрода (затвора) такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением.

Содержание

1 Базовая классификация
- 1.1 Тип канала
- 1.2 Тип проводимости
- 1.3 Особые случаи
2 Условные графические обозначения
3 Особенности работы МОП транзисторов
4 Особенности подключения
5 Примечания
6 Ссылки

Базовая классификация

Тип канала

Встречаются МОП-транзисторы с собственным (или встроенным) (англ. depletion mode transistor ) и индуцированным (или инверсным) каналом (англ. enhancement mode transistor ). Встроенный канал означает, что при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (т.е. проводит ток); для закрытия канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-исток; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определённой полярности.

В цифровой и силовой технике обычно применяются транзисторы только с индуцированным каналом. В аналоговой технике используются приборы обоих типов. [1]

Тип проводимости

Полупроводник канала может быть легирован примесями для получения электропроводности P или N типа. Подачей на затвор определённого потенциала можно менять тип проводимости участка канала под затвором. Если вытеснять из канала его основные носители заряда, обогащая канал неосновными носителями, то это так называемый режим обогащения. При этом проводимость канала растёт. Подачей противоположного по знаку потенциала на затвор можно обеднить канал неосновными носителями и уменьшить его проводимость (это называется режимом обеднения, характерен только для транзисторов со встроенным каналом). [2] .

Для n-канальных полевых транзисторов отпирающим является положительное (относительно истока) напряжение, приложенное к управляющему электроду (затвору) и превышающее пороговое напряжение этого транзистора. Соответственно, для p-канальных полевых транзисторов отпирающим будет являться отрицательное (относительно истока) напряжение, приложенное к управляющему электроду и превышающее его пороговое.

Подавляющее большинство приборов по МОП-технологии выполняется так, что исток транзистора подключен к полупроводниковой «подложке» структуры (чаще всего это означает — к телу кристалла). При этом образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком. Избавление от этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому с ним научились мириться и даже использовать в схемотехнических решениях. Для n-канальных полевых транзисторов паразитный диод подключен анодом к истоку, а для p-канальных анодом — к стоку.

Особые случаи

Существуют транзисторы с несколькими затворами. Они используются в цифровой технике для реализации логических элементов или в качестве ячеек памяти в EEPROM. В аналоговой схемотехнике многозатворные транзисторы также получили некоторое распространение, например в схемах смесителей или регулировки усиления.

Некоторые мощные МОП-транзисторы, используемые в силовой технике в качестве электрических ключей, снабжаются дополнительным отводом от канала транзистора с целью контроля протекающего через него тока.

Условные графические обозначения

Условные графические обозначения полупроводниковых приборов регламентируются ГОСТ 2.730-73 [3] .

Индуцированный канал	Встроенный канал
P-канал
N-канал
Условные обозначения: З — затвор (G — Gate), И — исток (S — Source), С — сток (D — Drain)

Особенности работы МОП транзисторов

Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору транзистора относительно его истока.

I c = I u =I_> I 3 → 0 to 0>

При изменении этого напряжения ( U 3 u > ) изменяется состояние транзистора и ток стока ( I c > ).

Для транзисторов с каналом n-типа при U 3 u U n o p , I c = 0 транзистор закрыт;
При U_>»> U 3 u > U n o p >U_>U_>»/> транзистор открывается и рабочая точка находится на нелинейном участке управляющей (стокозатворной) характеристики полевого транзистора I c = K n [ ( U 3 u − U n o p ) U c u − U c u 2 2 ] =K_[(U_<3u>-U_)U_—^<2>><2>>]>K n >— удельная крутизна характеристики транзистора;
При дальнейшем увеличении управляющего напряжения ( U 3 u >) рабочая точка переходит на линейный участок стокозатворной характеристики I c = K n 2 [ U 3 u − U n o p ] 2 =><2>>[U_<3u>-U_]^<2>>— Уравнение Ховстайна.

Особенности подключения

При подключении мощных MOSFET (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора:

RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя (если транзистор работает на пределе своих тепловых возможностей). Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах сток-исток.
Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки.
Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.
Резистор, включённый между истоком и затвором, для сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд как конденсатор, и после снятия управляющего сигнала MOSFET может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора.
Защитные диоды (супрессоры) параллельно транзистору и его затвору. При превышении напряжения питания на транзисторе (или при превышении управляющего сигнала на затворе транзистора) выше допустимого, например при импульсных помехах, супрессор срезает опасные выбросы и спасает транзистор.
Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления затвором транзистора.
Управление мощным MOSFET, работающем в ключевом режиме на высоких частотах осуществляют с помощью драйвера — специальной схемы или готовой микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора. Ёмкость затвора мощного силового транзистора может достигать десятков нанофарад. Для быстрой её зарядки требуется ток в единицы ампер.
Также используются оптодрайверы — драйверы совмещённые с оптопарами. Оптодрайверы обеспечивают гальваническую развязку силовой схемы от управляющей, защищая её в случае аварии. А также обеспечивают гальваническую развязку земли при управлении верхними MOSFET в мостовых схемах. Совмещение драйвера с оптопарой в одном корпусе упрощает разработку и монтаж схемы, уменьшает габариты изделия, его стоимость и т. д.
В сильно зашумлённых или находящихся под большим током цепях к входам микросхем, основанных на MOSFET структурах, подключают по паре диодов Шоттки, включённых в обратном направлении, т. н. диодную вилку (один диод — между входом и общей шиной, другой — между входом и шиной питания) для предотвращения явления «защёлкивания» МОП-структуры. Однако, в некоторых случаях, применение диодной вилки может привести к нежелательному эффекту «паразитного питания» (при отключении питающего напряжения диодная вилка может работать как выпрямитель и продолжать питать схему).

МОП — транзистор. Принцип работы

Вопросы на экзамен СПИЭ

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзисторы с изолированным затвором.Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n + -типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называетсярежимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

транзистор с индуцированным (инверсным) каналом

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n + -типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n + -переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

2. Модель Эберса — Молла биполярного транзистора.

3. Разновидности транзисторов, работающих на эффекте поля.

Эффект поля (англ. Field-effect) в широком смысле состоит в управлении электрофизическими параметрами поверхности твердого тела с помощью электрического поля, приложенного по нормали к поверхности

Эффект поля состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля.

Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

транзистор с индуцированным (инверсным) каналом

4. Формула волы амперной характеристики диода.

МОП-транзисторы

Общие сведения. В отличие от нолевых транзисторов с управляющим р-п- переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика, в качестве которого обычно используется окисел кремния Si0₂. Работа МОП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления полупроводника. Управление сопротивлением канала осуществляется путем изменения разности потенциалов между объемом полупроводника и затвором. При этом изменяется основной ток транзистора — ток между истоком и стоком. Сущес твует четыре разновидности МОП-транзисторов, которые подразделяют:

=> по проводимости канала — п-канальные и р-канальные;

=> по способу создания канала — с индуцированным каналом и встроенным каналом.

В микросхемах более широко распространены МОП-транзисторы с индуцированным каналом и-типа. Это связано с тем, что при одинаковой конструкции /1-канальные транзисторы (из-за большей подвижности электронов по сравнению с дырками) обладают лучшими характеристиками, чем //-канальные транзисторы.

Свойства структуры металл—диэлектрик—полупроводник. Для

более глубокого понимания принципа работы МОП-транзисторов рассмотрим явления, возникающие в полупроводнике /7-типа структуры металл — диэлектрик — полупроводник (рис. 1-3) при воздействии на нее постоянного напряжения отрицательной и положительной полярности. Выделим три случая.

1. U 0. При подведении к металлической пластине небольшого положительного напряжения (рис. 2,а) положительные заряды сосредоточиваются на поверхности металла, а отрицательные распределяются в поверхностном слое /т-полупроводника.

Накопление отрицательного заряда в приповерхностном слое происходит за счет притягивания к нему неосновных носителей заряда (электронов) и отталкивания основных носителей заряда (дырок). Уменьшение концентрации основных носителей приводит к снижению проводимости поверхностного слоя и образованию около поверхности так называемого обедненного слоя.

3. и$ > U₂. При увеличении положительного напряжения U-$ (рис. 3,я) распределенный отрицательный заряд в поверхностном слое полупроводника продолжает увеличиваться за счет увеличения концентрации неосновных носителей (электронов) и уменьшения концентрации основных носителей (дырок). При определенном значении Us концентрация дырок может стать меньше концентрации неосновных носителей (электронов). При этом в поверхностном слое полупроводника происходит смена типа проводимости и образуется инверсный слой (рис. 3,я,г). Удельная проводимость инверсного слоя в направлении х быстро убыва-
158

ет до величины, равной собственной проводимости кристалла. За инверсным слоем следует обедненный слой, удельная проводимость которого постепенно возрастает от собственной проводимости кристалла до проводимости полупроводника /;-типа. Таким образом, возникший низкоомный инверсный слой с одной стороны ограничивается диэлектриком, а с другой — высокоомным слоем собственного полупроводника (слой, в котором Рр

nj. Обедненный слой, изолирующий дырочный инверсный слой от электронного полупроводника (подложки), можно рассматривать как запирающий слой p-w-перехода, который возникает на 1рани- це двух полупроводниковых сред с различным типом проводимости.

Свойства МОП- структуры: образование обогащенного слоя

Свойства МОП- структуры: образование обедненного слоя

Свойства МОП- структуры: образование инверсного слоя

МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Структура транзистора (рис. 4,а). Основой для изготовления транзистора служит кристаллическая пластинка слаболегированного кремния р-типа, которая называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолсги-

рованные области с «-типом проводимости, расположенные в непосредственной близости друг от друга (от 5 до 50 мкм). Одна из этих областей используется как исток И, друхдя — как сток С. Между истоком и стоком поверх тонкого (0,2. 0,3 мкм) изолирующего слоя из двуокиси кремния располагается металлический затвор 3. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами. Подложку обычно соединяют с истоком.

Принцип действия. Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при различных напряжениях, подаваемых на затвор (U-*) и сток (Uc) относительно истока:

=> Ui -«-перехода. Поэтому при любой полярности напряжения на стоке рабочий ток транзистора (ток между истоком и стоком) весьма мал, так как равен току обратно смещенного /^-«-перехода. При отрицательном напряжении на затворе приповерхностный слой ^-полупроводника обогатится дырками и рабочий ток будет по-прежнему иметь малое значение;

=> Щ > 0, Uq — 0. При подаче на затвор небольшого положительного напряжения основные носители р-полупроводника дырки начнут уходить в глубь приповерхностной области, в результате чего создается так называемый обедненный слой. На рис. 4,а показан пороговый режим, при котором в обедненном поверхностном слое подложки возникает инверсия проводимости. Эго происходит при некотором пороговом напряжении затвора (/з_пор, при котором только намечаются формирование токопроводящего канала и появление тока стока (при U_c*0);

=> Ui > Г/_3пор, ?/_с«0. При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе (рис. 4,?) в подложке индуцируется инверсный слой, обладающий проводимостью «-типа, который соединяет 1 «-области истока и стока, являясь токопроводящим каналом между ними. При этом большему положительному напряжению затвора соответствуют большая удельная проводимость и большая толщина канала, что соответственно вызывает увеличение проводимости канала в целом. Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными канала- м и. Так как возникновение и увеличение инверсной проводимости индуцированного канала «-типа связано с его обогащением носителями заряда (электронами), то считают, что транзисторы подобного типа работают по принципу обогащения;

=> ?/з > i/зпор» > 0. Эти напряжения соответствуют рабочему режиму, когда по каналу течет ток /к, обусловленный дрейфом электронов от истока к стоку. Напряжение затвора относительно различных поперечных сечений канала оказывается неодинаковым, а изменяется от U-> возле истока до U г ₃ — U_c возле стока. В связи с этим ширина индуцированного канала больше возле истока и меньше возле стока. Общая проводимость канала соответственно уменьшается.

Рис. 4. МОП-транзистор с индуцированным каналом

При Uq — Uy — t/inop напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению (U$ — Uq- = t/jnop), что приводит к исчезновению инверсной проводимости и условному перекрытию индуцированного канала около стока (рис. 4,в). Транзистор входит в режим насыщения. Напряжение стока, при котором возникает обедненная область канала возле стока, называется напряжением насыщения (U_Cl^ = С/₃ — ?/з,_10р);

=> Ui > U„р* и_с > «ас* Дальнейшее увеличение напряжения стока Uc приводит к увеличению обедненной области канала Д/_к, на которой выделяется вес излишнее (добавочное) напряжение U_c — U_C)lас— В ре-

жиме насыщения происходит незначительное увеличение тока канала (рис. 4,г).

При дальнейшем увеличении напряжения Uc возникает (лавинный) электрический пробой //-/?-перехода сток—подложка и ток стока резко возрастает.

Лекция по теме «МОП-транзисторы с индуцированным каналом»

Полевые транзисторов с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком делятся на две группы:

— .МОП-транзистор с индуцированным каналом

— МОП-транзисторы с встроенным каналом

Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 25, а. На рис. 25, б приведено его условное графическое обозначение.

Конструкция:

Подложка (кристалл кремния p-типа) служит для создания на ней канала n-типа.
Имеется дополнительный вывод от подложки.
Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика.
Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+.
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.

Принцип действия

Если на затворе напряжение равно нулю, сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки (канал отсутствует).

Рис. 25. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 26), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате вобласти подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным. С увеличениемположительного напряжения затвор-исток Uзи растет концентрация электронов вканале, следовательно, увеличивается его проводимость.

Рис. 26Включение источников напряжения в транзистор с индуцированным каналом n-типа

Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения Uзи, так и от напряжения сток-истокUси.
Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают Uо. Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина зависит от технологии изготовления и составляет для современных интегральных МОП-транзисторов 0.5—1.0 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 Uзи — Uо.
Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщенияUнас = 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 Uзи, а в окрестности стока — разности Uзи — Uси. Поэтому при увеличении напряжения Uси сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях Uси, превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению Uзи>Uо соответствует свое значение напряжения насыщения.

Семейство выходных характеристиктранзистора с индуцированным каналом показано на рис. 26. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 26 пунктиром.

Рис. 26 Семейство выходных х-к транзистора с индуцированным каналом

В режиме отсечкиUзи Uо, а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения

Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением

Здесь b— удельная крутизна МОП-транзистора, которая зависит от подвижности носителей, удельной емкости затвор-канала, его длины и ширины.

Величинуb(Uзи – Uо) называют проводимостью канала;

Rси = 1/ b(Uзи – Uо) – сопротивление канала.

Вывод: 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 Uзи Uо, а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения

Uси ≥Uнас = Uзи — Uо.

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения Uси. Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.

Применение:

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. 27.

Рис. 27 Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом

При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение Uо.

Применение.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом являются доминирующими элементами современных сверхбольших интегральных схем (СБИС). Технологии изготовления СБИС принято характеризовать минимальной длиной канала Lmin. Стандартными в настоящее время являются технологии, обеспечивающие Lmin 0.18 и 0.13 мкм.

— 1985 г. (процессор Intel 286), Lmin = 1.5;

— 2006 г(PentiumIII), Lmin = 0.065 мкм

Длину канала МОП-транзисторов становится удобно измерять не вмикронах, а в нанометрах (нм). По прогнозам специалистов к 2010 году L_minдостигнет величины 32 нм

В современной интегральной схемотехникешироко используют полевые транзисторы с каналами обоих типов проводимости. У р-канального МОП-транзистора подложка имеетэлектронную проводимость, а области стока и истока — дырочную. У таких транзисторов пороговое и рабочие напряжения имеют обратную полярность по сравнению с n-канальным:

Электронные схемы, в которых используется сочетание МОП-тран-зисторов с каналами n-и—p-типов, называют комплементарными (КМОП). Хотя технология изготовления КМОП-структур сложнее, чем цепей, содержащих только n- канальные транзисторы, наличие транзисторов с каналами разных типов предоставляет разработчикам интегральных схем дополнительные возможности. В настоящее время комплементарные структуры стали преобладающими как в цифровых, так и аналоговых интегральных схемах.

4. МОП-транзисторы с встроенным каналом

Структура МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показана на рис. 28, а. На рис. 28, б приведено его условное графическое обозначение.

Конструкция (см. пп. 1-4 раздела 5.3.)

В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращиваемый на поверхности кремния n-типа.

Рис. 28Структура МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа

Принцип действия:

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 Uзи. Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называютрежимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения Uзи каналполностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называютнапряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают Uотс .
При нулевом напряжении на затворе(Uзи=0)ток МОП-транзистора с встроенным каналом имеет ненулевое значение, называемое начальным Iснач.
ЕслиUзи> 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.

Вывод:МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналомn-типа показаны на рис. 29.

Рис. 29 Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа

Рис. 30 Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом

МОП транзистор принцип работы

В униполярных транзисторах управляющим сигналом является разность потенциалов на участке затвор-исток.

При изменении входного напряжения () изменяется состояние транзистора и

Транзистор закрыт
Крутой участок. U_,» border=»0″ />— удельная крутизна характеристики транзистора.
Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий участок. — Уравнение Ховстайна.

Ссылки

Принципы работы мощных MOSFET- и IGBT-транзисторов
Терещук Д. С. Логическое моделирование СБИС на переключательном уровне
Егоров А. Применение MOSFET-транзисторов NXP Semiconductors в электронике

Замечания

При подключении мощных MOSFET-транзисторов (особенно работающих на высоких частотах на пределе своих возможностей) используется стандартная обвязка транзистора:

1) RC-цепочка (снаббер), включённая параллельно истоку-стоку, для подавления высокочастотных колебаний и мощных импульсов тока, возникающих при переключении транзистора из-за индуктивности подводящих шин. Высокочастотные колебания и импульсные токи увеличивают нагрев транзистора и могут вывести его из строя.

2) Быстрый защитный диод, включённый параллельно истоку-стоку (обратное включение), для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки.

3) Если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (сварочные инверторы, индукционные нагреватели, импульсные источники питания), то помимо защитного диода в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам.

3) Резистор, включённый между истоком и затвором, для сброса заряда с затвора. Затвор удерживает электрический заряд и после снятия управляющего сигнала MOSFET-транзистор может не закрыться (или закрыться частично, что приведёт к повышению его сопротивления, нагреву и выходу из строя). Величина резистора подбирается таким образом, чтобы не мешать управлению транзистором, но в то же время как можно быстрее сбрасывать электрический заряд с затвора.

4) Резистор, включённый в цепь затвора, для уменьшения тока заряда затвора. Затвор мощного полевого транзистора обладает достаточно высокой ёмкостью, представляет из себя фактически конденсатор ёмкостью несколько десятков нФ, что приводит к значительным импульсным токам в момент зарядки затвора (единицы ампер). Большие импульсные токи могут повредить схему управления.

5) Управление мощным MOSFET-транзистором на высоких частотах осуществляют с помощью драйвера — специальной микросхемы, усиливающей управляющий сигнал и обеспечивающей большой импульсный ток для быстрой зарядки затвора транзистора. Это увеличивает скорость работы транзистора.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Sola Scriptura
Новик

Смотреть что такое «МОП-структура» в других словарях:

МОП Структура — (МОП Металл Оксид полупроводник) наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Название МОП является традиционным названием такой структуры. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида SiO2. В общем случае… … Википедия

МОП структура — (МОП Металл Оксид полупроводник) наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Название МОП является традиционным названием такой структуры. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида SiO2. В общем случае… … Википедия

МОП-структура — MOP darinys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. MOS structure vok. MOS Struktur, f rus. МОП структура, f pranc. structure MOS, f ryšiai: palygink – metalo oksido puslaidininkio darinys … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с каналом n-типа — MOP darinys su n kanalu statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. n channel MOS; n channel MOS structure; n MOS structure vok. n Kanal MOS Struktur, f rus. n канальная МОП структура, f; МОП структура с каналом n типа, f pranc.… … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с каналом p-типа — MOP darinys su p kanalu statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. p channel MOS; p channel MOS structure vok. p Kanal MOS Struktur, f rus. p канальная МОП структура, f; МОП структура с каналом p типа, f pranc. structure MOS à canal… … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с нижним затвором — MOP darinys su apatine užtūra statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. back gate MOS structure vok. Back Gate MOS Struktur, f; MOS Struktur mit rückwärtigem Substratanschluß, f rus. МОП структура с нижним затвором, f pranc. structure … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с однотипными каналами — MOP darinys su vienarūšiais kanalais statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. single channel MOS; single channel MOS structure vok. Einkanal MOS Struktur, f rus. МОП структура с однотипными каналами, f pranc. structure MOS à canaux… … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура на транзисторах, работающих в режимах обогащения и обеднения — praturtintosios ir nuskurdintosios veikos MOP darinys statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. enhancement/depletion MOS; enhancement/depletion MOS structure vok. Enhancement/Depletion MOS Struktur, f; MOS Struktur des Anreicherungs… … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с инжекционным затвором — MOP darinys su injekuojamąja užtūra statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. gate injection MOS; gate injection MOS structure vok. Injektionsgate MOS Struktur, f rus. МОП структура с инжекционным затвором, f pranc. structure MOS à… … Radioelektronikos terminų žodynas

МОП-структура с V-образными канавками — MOP darinys su V grioveliais statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. V groove MOS; V groove MOS structure vok. V Graben MOS Struktur, f rus. МОП структура с V образными канавками, f pranc. structure MOS à rainure en V, f … Radioelektronikos terminų žodynas

0 0 голоса

Рейтинг статьи