Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторы (от слов «металл-диэлектрик-полупроводник»), т.к. диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiO₂.

- + Рис. 11. Принцип устройства МДП-транзистора с собственным каналом n-типа, и условное графическое обозначение МДП-транзисторов с каналами n-типа и p-типа.

Рис. 12. Выходные характеристики МДП-транзистора с собственным каналом n-типа

Рис. 13. Характеристика управления МДП-транзистора с собственным каналом n-типа

Основанием МДП-транзистора служит кремниевая пластинка с электропроводностью типа p (рис.11). В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока составляют обычно ед. мкм, а его ширина – сотни микрометров и более, в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя SiO₂ 0,1¸0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл МПД-транзистора обычно соединен с истоком, и его j_л принимается за нулевой – так же, как и j_л истока. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Прибор с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом, и работает он следующим образом.

Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, т.к. один из n-p-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а, следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Рис. 14. Принцип устройства и условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом n-типа

Рис. 15. Выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом n-типа

Рис. 16. Характеристика управления транзистора с индуцированным каналом n-типа

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны: проводимость канала при этом увеличится и ток стока растет. Этот режим называют режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор с собственным каналом, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это наглядно показывают его выходные (стоковые) характеристики, изображенные на рис.12, и характеристики управления на рис.13.

Как видно, выходные характеристики МПД-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Это объясняется тем, что при возрастании u_си от нуля сначала действует закон Ома, и ток растет почти пропорционально напряжению, а затем, при некотором u_си, канал начинает сужаться, особенно около стока. Т.к. на p-n-переходе между каналом и кристаллом растет обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется, и сопротивление канала увеличивается. Таким образом, I_c испытывает два взаимно противоположных влияния: от увеличения u_си ток должен возрастать по закону Ома, но от увеличения сопротивления канала ток уменьшается. В результате ток остается почти постоянным до такого напряжения u_си, при котором наступает электрический пробой в кристалле.

В том случае, если кристалл имеет электропроводность n-типа, канал должен быть p-типа и полярность напряжений надо изменить на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис.14). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения 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 истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей истока и стока и из p-области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое значение (ед. В), то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет т.н. инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения, что видно из его выходных характеристик (рис.15) и характеристик управления (рис.16). Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа.

Параметры МПД-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с n-p-переходом.

Транзисторы с изолированным затвором имеют преимущества в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств, отмеченных для полевых транзисторов с p-n-переходом, и, кроме того, обладают еще рядом достоинств. Сопротивление изоляции затвора у них представляет собой входное сопротивление постоянному току на низких частотах и достигает 10¹²-10¹⁵ Ом. Важно, что входное сопротивление остается большим при любой полярности напряжения затвора. Входная емкость может быть меньше 1 пФ, и предельная частота доходит до сотен МГц. Разработаны мощные (до десятков Вт) транзисторы и изолированным затвором, имеющие крутизну 10 мА/В и больше, и работающие на частотах до сотен МГц.

Транзисторы и изолированным затвором могут применяться во всех схемах, рассмотренных выше (ОИ, ОЗ и ОС.)

Следует отметить, что изготовление полевых транзисторов по планарно-эпитаксиальной технологии сравнительно несложно и упрощает создание микроэлектронных схем. Особенно просто изготавливаются МПД-транзисторы с индуцированным каналом, т.к. в кристалле надо сделать лишь две области – истока и стока.

При работе с МПД-транзисторами следует принимать меры предосторожности для предотвращения пробоя тонкого слоя диэлектрика между затвором и каналом под действием статических электрических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе. Необходимо, чтобы при транспортировке и монтаже электроды у транзисторов были замкнуты накоротко. Эти замыкающие проводнички удаляют только по окончании монтажа, когда выводы транзистора уже впаяны в схему.

Тиристоры (VS)

Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (VS закрыт) и состоянием высокой проводимости (VS открыт).

Перевод VS из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу таких воздействий относятся воздействия напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Тиристоры используются в цепях эл. питания устройств связи и энергетики, различных автоматических управляющих устройствах в качестве регуляторов освещения, устройствах цветомузыки и т.д.

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них не три, а четыре (и более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется. Вследствии этого в тиристоре образуется три и более перехода вместо двух, как у биполярного транзистора. Рассмотрим устройство тиристора (рис. 1). Крайнюю область Р1 называют анодом, крайнюю область N2 – катодом.

Принцип действия.

Подадим на тиристор напряжение «+» к аноду, «–» к катоду. При такой полярности включения внешнего напряжения к крайним переходам П1 и П3 приложено прямое напряжение, а к среднему переходу П2 – обратное. Следовательно, переходы П1 и П3 открыты, а П3 – закрыт. Это приводит к тому, что большая часть внешнего напряжения приложена к переходу П2, имеющему очень большое сопротивление, и только незначительная часть этого напряжения приложена к переходам П1 и П3, сопротивление которых намного меньше. При этом VS находится в закрытом состоянии, благодаря большому сопротивлению перехода П2.

Для того, чтобы осуществить переключение, т.е. открыть VS, необходимо скомпенсировать потенциальный барьер на границе областей N1 – P2. Рассмотрим, как это происходит.

VS, имеющий три p – n – перехода, удобно представить в виде двух биполярных транзисторов p – n – p и n – p – n. Это дает возможность для анализа работы тиристора использовать положения и выводы из теории работы биполярных транзисторов.

Как видно из рис.2, оба транзистора работают в активном режиме. На эмиттерные переходы P1N1 и N2P2 подается прямое напряжение, на коллекторный переход P2N1, общий для обоих транзисторов, – обратное напряжение.

Рис.1. - Структура тиристора
Рис. 2. - Эквивалентная схема тиристора в виде двух транзисторов

Под действием прямых напряжений, приложенных к эмиттерным переходам, происходит инжекция основных носителей заряда из эмиттеров P1 и N2 в соответствующие базы N1 и P2. В транзисторе n – p – n электроны из эмиттера N2 переходят в базу P2, где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор N1 под действием обратного напряжения коллекторного перехода. В результате этого перехода в области N1 создается избыточный заряд. Аналогичные явления происходят в транзисторе p – n – p. Дырки из эмиттера P1 инжектируют в базу N1, где часть их рекомбинирует с электронами базы, а остальные перебрасываются в коллектор P2, создавая в нем избыточный положительный заряд. Напомним, что за счет обратного напряжения на границе перехода имеется двойной электронный слой, состоящий из нескомпенсированных положительных зарядов в области N1 и отрицательных зарядов в области P2, которые образуют потенциальный барьер.

Избыточные электроны в области N1 и дырки в области P2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер на границе перехода P2N1.

При повышении внешнего напряжения, приложенного между анодом и катодом, возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П3, большее число носителей заряда переходит на коллекторы соответствующих транзисторов. Это приводит к возрастающему накоплению избыточных зарядов основных носителей в областях P2 и N1, что способствует понижению потенциального барьера на переходе П2 вплоть до его полной компенсации.

При полной компенсации обратного напряжения на коллекторном переходе он откроется и его сопротивление будет таким же малым, как и у обоих эмиттерных переходов, ток тиристора резко возрастет.