(6_13)
Если Сд>> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = Спп.
Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 84 ограничено линией С = Сд.
Рис. 84. Изменение емкости МДП структур от напряжения на затворе: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.
Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 83 и рис. 84 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области.
Рис. 84. Энергетические диаграммы приповерхностной полупроводниковой области n - типа при различных значениях напряжения на МДП структуре (см. рис. 82 и 83): т. А - начальное состояние (UзA = 0), т. B - обеднение (UзB < 0), т. C инверсия (UзC < UзB < 0), т. D обогащение (UзD.>0)
На рис. 84 показаны энергетические диаграммы МДП структуры при раличных значениях потенциала Uз. В качестве примера выбран материал n типа. Точка A соответствует случаю нулевого потенциала затвора. Поскольку материал n типа уровень Ферми находится в верхней половине запрещенной зоны и для концентрации электронов в глубине материала можно записать (через собственную концентрацию ni):
, (6_14)
где φо = 1/q(Ei - F) При записи (6_14) считалось, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится при Eiв (примерно в середине запрещенной зоны). На рис. 84 для точки A вблизи поверхности наблюдается искривление зон (и соответственно Ei), что свидетельствует о наличии поверхностного потенциала φs = 1/q(Eis - F) заряда захваченного поверхностными состояниями (Ns). Для поверхностной концентрации электронов ns и дырок ps аналогично как в (6_14) можно записать:
(6_15)
Как видно из рис. 84 для т. А φs< φо и следовательно вблизи поверхности концентрация электронов ниже, чем в объеме, т.е. существует некоторое начальное обеднение поверхности основными носителями заряда.
При подаче на затвор отрицательного потенциала будет происходить дальнейшее обеднение поверхности электронами и при некотором напряжении на структуре (т. B на рис. 84) φs станет равным 0. При этом в соответствии с (6_15) для поверхностные концентрации равны: ns = ps = ni. При дальнейшем увеличении отрицательного заряда на затворе будет иметь дальнейшее искривление зон и φs изменяет знак, при этом (см. 6_15) ps> ns > ni и ns < ni , т.е. на поверхности происходит изменение типа проводимости - инверсия знака носителей на поверхности относительно объем (т. C на рис. 84). И чем больше отрицательный заряд на затворе, тем больше дырочная проводимость на поверхности.) Напряжение на затворе, приводящее к инверсии проводимости, принято называть пороговым (Uп), если |φs| = 2(Ec - F).
Если на затвор подать положительное напряжение величина φs возрастает соответственно (см. 6_15) концентрация электронов увеличивается. Действительно электрическое поле вблизи поверхности будет притягивать электроны и отталкивать дырки (их концентрации уменьшается). Когда поверхность обогащается основными свободными электронами или дырками (в случае инверсии) ширина ОПЗ стремится к нулю и емкость структуры определяется только толщиной диэлектрика. В этом случае обогащенная свободными носителями поверхность полупроводника ведет себя подобно поверхности металла.
Лекция 20 6.2. 2. МДП транзисторы.
В основе работы МДП транзистора лежит рассмотренный в предыдущем параграфе эффект управления поверхностной проводимостью и поверхностным током с помощью затвора. Для того, чтобы обеспечить прохождение управляемого тока под затвором создают две электродные области: исток и сток. На рис. 85 показана конструкция МДП транзистора с индуцированным n каналом, схема его включение и графическое обозначение.
Рис. 85. МДП транзистор с индуцированным n каналом.
Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла. Таким образом при отсутствии напряжения на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода и соответственно ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в закрытом состоянии. Для того, чтобы транзистор открылся на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n типа, образующая канал соединяющий n+ области истока и стока, встречно включенные pn переходы исчезают и в стоковой цепи начинает протекать ток. Напряжение затвора при котором происходит инверсия проводимости подзатворной области и начинает протекать ток называют пороговым (Uп). Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и соответственно больше проводимость индуцированного канала. При работе транзистора в усилительном режиме полярность напряжения на стоке относительно истока задается такой, чтобы основные носители дрейфовали к стоку на сток подается напряжение такой полярности. Полярность напряжений подаваемых на электроды МДП с индуцированными n и p каналами при их работе в усилительном режиме противоположна. Для n канального транзистора на затвор подается плюс относительно истока, на p канальный транзистор минус. За сток принимается тот электрод к кторому дрейфуют основные носители, т.е. в p канальном транзисторе сток должен быть отрицательным относительно истока и в n канальном положительным (см. рис. 85).
Рис. 86. Вольта мерные характеристики МДП транзистора: выходные (слева) и передаточные (справа)
На рис. 86 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП транзистора. Получим аналитическое выражение, позволяющее их описать, при этом сделаем следующие основные допущения:
одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению канала постоянны,
на поверхности выполняется условие сильной инверсии (Uз > Uп),
заряд на поверхностных состояниях постоянен и не зависит от изгиба зон,
дрейфовые токи значительно больше диффузионных и последними можно пренебречь
подвижность носителей заряда в канале постоянна.
Будем считать, что ось х направлена вдоль канала (рис. 85). Для индуцированного в канале заряда Qi можно записать:
Qi = - Cd[Uз-Uп-U(x)], (6_16)
где U(x) - потенциал в т.х канала. Для наведенной поверхностной проводимости обусловленной зарядом индуцированным зарядом затвора справедливо:
σi = qμnni = - μnCd[Uз-Uп-U(x)] ( 6_17)
Плотность тока в канале:
Ji = σiE(x), (6_18)
где E(x) = -dU/dx тогда используя (6_17) и (6_18) для ток стока запишем :
Ic = JiW = σiE(x) W= WμnCd [Uз-Uп-U] dU/dx, (6_19)
где W - ширина канала. Проинтегрируем (6_19) вдоль канала:
(6_20)
Откуда получим:
Ic = WμnCd /d[(Uз-Uп)Uс-1/2Uc2] (6_21)
При увеличении напряжения на стоке потенциал U(L) = Uс стремится к Uз и при некотором Uс = Uсo инверсия вблизи стока исчезает, канал перекрывется и заряд в канале становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке не будет приводить к возрастанию тока стока, поскольку все приращение напряжения будет осуществляться за счет на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала, таким образом при Uз > Uсо исток-стоковая вольтамперная характеристика будет переходить из крутой области в пологу. Значение Uсо =0 найдем из следующего условия :
Qi(L) = 0 = -Cd (Uз-Uп-Uco] (6_22)
Откуда Uco = Uз - Uп. Подставим это значение Uco вместо Uc в (6_21) и найдем выражение дл выходных вольтамперных характеристик МДП транзистора в пологой области.
(6_23)
Это выражение описывает передаточную характеристику для МДП транзистора (см. правый график на рис. 86). Используя (6_23) для получим :
(6_24)
Соответствующий график для зависимости крутизны от напряжения на затворе приведен на рис. 87.
Рис. 87. Зависимость крутизны МДП транзистора с индуцированным напряжение от напряжения на затворе.
Канал между истоком и стоком можно создать технологическим путем на стадии изготовления МДП транзистора (например вводя соответствующую примесь), такие транзисторы называют транзисторами с встроенным каналом. При подаче напряжения на затвор концентрация носителей в канале будет либо возрастать либо уменьшаться вплоть до полного исчезновения канала и перехода транзистора в запертое (выключенное) состояние, в котором выходные токи будут определяться обратными характеристиками исток-стоковых pn переходов.
Рис. 88. Графическое обозначение МДП транзистора с встроенным каналом и его вольтамперные характеристики: выходные (слева) и передаточные (справа)
Влияние подложки на характеристики МДП транзистора.
Рассмотрим влияние подложки на характеристики МДП транзистора.
Рис. 89. Включение МДП транзистора с управлением по подложке
Если подложка имеет положительный потенциал относительно стока, как это показано на рис. 89, то этот потенциал будет поднимать потенциал канала, что будет приводить к уменьшению разности потенциалов между затвором и каналом и соответственно будет уменьшаться заряд индуцированный в канале и проводимость канала. Поэтому потенциал подложки подобно потенциалу затвора может управлять проводимостью канала, однако отличие будет заключаться в том, что если увеличение положительного потенциала на затворе будет увеличивать ток стока, то увеличение положительного потенциала на подложке будет приводить к уменьшению тока стока. С учетом этого замечания формулу (6_21) для области крутой ВАХ транзистора можно переписать в следующем виде:
Ic = WμnCd /{2d[(Uз-Uп-kUподл)Uс-1/2Uc2]}, (6_25)
где коэффициент k зависит от конструктивных особенностей транзистора. В пологой области ВАХ транзистора с учетом влияния подложки, после подстановки в (6_25) Uс = Uс - Uп примут вид :
(6_26)
Усилительные свойства МДП транзистора будут характеризоваться крутизной по подложке:
(6_27)
Рис. 90. Эквивалентная схема МДП транзистора
Эквивалентная схема МДП транзистора, учитывающая возможность управления по подложке показана на рис. 88
Лекция 21
6.2.3. Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства полевого и биполярного транзистора привели к созданию комбинированного прибора - биполярного транзистора с изолированным затвором, в технической литературе его называют IGBT (от англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое распространение в силовой электронике благодаря тому, что он позволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи.
Рис. 91. Обозначение биполярного транзистора с изолированной базой (IGBT)
Обозначение IGBT показано на рис.91. Как видно из обозначения вход IGBT подобен МДП - транзистору, т.е. это прибор управляемый потенциалом. Выход подобен выходу биполярного транзистора, т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же как у биполярного транзистора.Несмотря на то, что IGBT является единой монолитной кристаллической структурой, по существу это функциональное усилительное устройство, которое может быть представлено в виде схемы показанной на следующем рисунке. , как видно из схемы, коллекторный ток биполярного транзистора Т2 поступает на вход биполярного транзистора Т3, и часть коллекторного тока Т3 поступает на вход Т2. С выхода которого ток опять поступает на вход Т3. Таким образом между двумя выходными биполярными транзисторами имеется положительная обратная связь.
Рис. 92. Эквивалентная схема IGBT
Для токов
транзисторов можно записать: iC1=SUЗ, где S
- крутизна T1; iК2= α2 iЭ2 и iК3= α3 iЭ3, где α i - коэффициенты передачи тока
биполярных транзисторов.
Для общего тока эмиттера можно записать iЭ=iК2+iК3+iС. Откуда iС = iЭ (1–α2–α3). Так как iЭ=iК, то для выходного тока IGBT, равного коллекторному току T3 из предыдущего соотношения получим:
iк=SUЗЭ/[(1–α2-α3)]=SЭКВUЗ.
Соответственно для эффективной крутизны SЭКВ, равной отношению изменения выходного тока IGBT к изменению входного напряжения затвора можно записать SЭКВ=S/[[1 – (α2+α3)]. Как видно из этого соотношения управляя значениями α1 и α2 возможно получить весьма высокую величину эффективной крутизны.
