9.6.3. Полевые транзисторы со статической индукцией

Для повышения уровня переключаемых мощностей были предложены так называемые многоканальные полевые транзисторы [10]. Эти приборы фактически представляют собой несколько отдельных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, соединенных параллельно (рисунок 9.69, а). Поэтому их вольтамперные характеристики подобны характеристикам обычного одноканального транзистора (рисунок 9.69, б). Характерный уровень токов в этом случае значительно выше, чем для отдельного прибора.

а)

б)

Рисунок 9.69 - Структура многоканального полевого транзистора (а) и экспериментальные вольтамперные характеристики (б) прибора с

Однако в тех случаях, когда уровень легирования активной области достаточно низкий и канал уже при нулевом напряжении на затворе перекрыт встроенным потенциалом , вольтамперные характеристики отличаются от обычных характеристик. В качестве примера семейство таких триодноподобных характеристик приведено на рисунке 9.70, а. На вставке показана структура прибора (вертикальный полевой транзистор) с уровнем легирования и расстоянием между затворами 4 мкм. На рисунке 9.70, б те же характеристики изображены в полулогарифмическом масштабе. Из графиков, построенных на рисунке 9.70,а в линейном масштабе, следует, что при больших уровнях тока вольтамперные характеристики прибора триодного типа, т.е. ток стока увеличивается линейно с напряжением стока . При малых уровнях ток стока увеличивается с напряжением стока экспоненциально (рисунок 9.70, б). Причина такой экспоненциальной зависимости состоит в том, что в данном случае напряжение на стоке понижает энергетический барьер в канале, образовавшийся вследствие смыкания обедненных областей от обоих затворов (рисунок 9.71). Очевидно, что такое понижение барьера , где – соответствующее изменение напряжения стока. Поэтому ток прибора, определяемый надбарьерной термоэлектронной инжекцией, в первом приближении пропорционален

~ , (9.70)

что и объясняет наблюдаемый экспоненциальный характер ВАХ прибора в области малых токов (рисунок 9.70, б).

а) б)

Рисунок 9.70 – Вольтамперные характеристики многоканального полевого транзистора с в линейном (а) и полулогарифмическом масштабе (б). На вставке показано поперечное сечение отдельной ячейки прибора

При больших токах плотность электронов в канале между затворами становится больше концентрации фиксированного заряда доноров, и в этом случае основную роль начинает играть ограничение тока пространственным (динамическим) зарядом подвижных носителей, что определяет примерно линейный характер ВАХ прибора в этой области.

а)

ΔV_З

φ(V_З)

б)

Рисунок 9.71 - Структура (а) и распределение потенциала (б) между стоком и истоком вертикального полевого транзистора при двух напряжениях стока

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и выходными ВАХ триодного типа получили название – транзисторы со статической индукцией (SIT). SIT-транзистор представляет собой короткоканальный полевой транзистор, у которого длина канала соизмерима с толщиной ( ), и уровень легирования канальной области сравнительно низкий. В этом случае нарушается внутренняя токо-потенциальная связь, обеспечивающая в длинноканальном транзисторе отсечку канала, и напряжение стока в силу двумерности распределения потенциала нейтрализует часть потенциала затвора (поперечную), создающего потенциальный барьер для носителей заряда, поступающих из истока. В области канала (рисунок 9.70, а) потенциал стока уменьшает величину барьера и не создает продольного падения напряжения вдоль длины канала, приводящего к увеличению обратного смещению затвора у стока и отсечке канала, как это происходит в длинноканальном транзисторе. Вместо этого с ростом напряжения стока ОПЗ затвора «вытягивается» в сторону стока. При этом расширяется площадь проводящего канала, и ток стока растет с увеличением напряжения стока. Выходные ВАХ SIT не имеют области насыщения тока стока (пентодного участка), т.е. выходное сопротивление SIT достаточно мало, что значительно повышает энергетические и качественные (малый уровень нелинейного искажения) показатели линейных усилителей мощности на основе SIT.

В силу двумерности задачи общего аналитического решения ВАХ SIT-транзистора на настоящий момент не имеется. Однако модель SIT на основе внутреннего потенциального барьера является общепринятой.

Выходные ВАХ SIT при малых токах стока в первом приближении описывается экспонентой [3]:

, (9.71)

где – коэффициент усиления по напряжению;

η – коэффициент, увеличивающийся при уменьшении толщины канала и снижении в нем концентрации;

– константа, зависящая от геометрии прибора и концентрации примесей.

При больших плотностях тока с учетом сопротивления истока и выражение для тока имеет вид:

, (9.72)

где параметры , и определяются экспериментально.

Температурный коэффициент тока SIT положителен в области малых токов (9.71) и отрицателен в линейной области (9.72) (с ростом температуры увеличиваются и ).

Реализованы SIT-транзисторы с максимальным током стока до 100 А, напряжением выше 800 В, сопротивлением стока постоянному току 2 Ом и временем включения 100 нс.

Основной недостаток SIT-транзистора высокое сопротивление в открытом состоянии порядка 5 Ом. Поэтому в схемах ключей используется разновидность SIT-транзистора – SIT-тиристор, у которого сопротивление в открытом состоянии составляет десятки миллиом (на два порядка ниже) из-за модуляции проводимости дрейфовой области инжекцией дырок из p-анода.

Управляемый полем тиристор или тиристор со статической индукцией (SIT), строго говоря, не является тиристором. Тем не менее, он, вероятно, больше оправдывает название «полупроводниковый выпрямитель», чем сам тиристор, поскольку в конструктивном отношении является не чем иным, как мощным диодом с управляющей сеточной структурой.

Схематический разрез типичного SIT приведен на рисунке 9.72. На практике существуют две базовые конструкции: планарная (рисунок 9.72, а) и со скрытым затвором (рисунок 9.72, б). В обоих случаях основу прибора составляет диодная p-n-n⁺ структура, в которой имеется – затворная область.

Вольтамперные характеристики при прямом смещении этого прибора показаны на рисунке 9.73. При нулевом потенциале смещения, прикладываемом к затвору, SIT проводит ток как обычный – диод. Если к затвору приложить достаточно большое отрицательное смещение, то прибор будет поддерживать прямое блокирующее напряжение, поскольку слой объемного заряда, формирующийся возле затворов, может перекрыть междусеточный канал и прекратить пропускание тока.

2hk

Рисунок 9.72 – Планарная структура SIT (а) и структура со скрытым затвором (б)

Блокирующая способность в прямом направлении характеризуется коэффициентом запирания тиристора в закрытом состоянии.

Коэффициент запирания SIT определяется как отношение напряжения пробоя между анодом и катодом к приложенному потенциалу на затворе V_АК/V_ЗК и зависит от геометрии тиристора. Например, дифференциальный коэффициент запирания [21]:

,

где . (9.73)

Здесь W – ширина области объемного заряда между анодом и затвором; h_K – половина толщины канала между ячейками затвора (рисунок 9.72); L_K – длина канала.

Для получения требуемого значения коэффициента g_B необходимо на стадии проектирования SIT предусмотреть, чтобы ячейки затвора были маленькие, а сам канал достаточно длинный (затвор, полученный глубокой диффузией). Целесообразно также увеличить и ширину слоя объемного заряда до максимального значения.

Рисунок 9.73- Характеристики управляемого полем тиристора для различных смещений затвора

Рисунок 9.74 - Ассиметричный тиристор

со статической индукцией

Все эти требования удовлетворяются при использовании ассиметричной структуры SIT(рисунок 9.74). За счет того, что n⁺- буферный слой создан в n-базе, удается уменьшить уровень легирования основной n-базы. Это, во-первых, позволяет улучшить соотношение между падением напряжения во включенном состоянии и прямым блокирующим напряжением, поскольку уменьшается суммарная толщина n-базы, и, во-вторых, способствует увеличению распространения слоя объемного заряда. В результате затвор перекрывает канал при низком напряжении затвора и обеспечивает высокий коэффициент запирания.

Дальнейшее увеличение коэффициента запирания возможно за счет уменьшения до минимума толщины канала. Однако в планарных приборах это затруднительно, так как уменьшается катодная площадь, и поэтому ограничивается способность прибора проводить ток в прямом направлении. Узкие каналы проще получить в приборах со скрытым затвором.

Достоинством SIT-тиристора является то, что его структура не обладает регенеративными свойствами тиристора (результат взаимодействия двух транзисторов). Когда SIT находится в закрытом состоянии, его прямое блокирующее напряжение и коэффициент запирания увеличиваются с ростом температуры. Прибор сохраняет работоспособность при температурах до 200 ^оС, а обычные тиристоры только до 125 ^оС. Для того чтобы включить SIT в состояние проводимости, необходимо убрать смещение или сместить в прямом направлении затвор прибора. Это приводит к исчезновению области объемного заряда и потенциального барьера в зоне канала. Если размеры затвора очень малы и n-база слабо легирована, то требуется прямое смещение затвора для полной гарантии того, что каналы не перекроются, и не произойдет повышение падения напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

Для обеспечения высокой токовой нагрузки и небольшого падения напряжения в открытом состоянии SIT должен иметь большую площадь катода. В планарных приборах катодная площадь несколько ограничена, поскольку ширина полоски катода примерно равна толщине канала. С целью получения приемлемого уровня проводимости в планарных SIT необходимо использовать конструкцию с очень тонкими полосками катода и затвора.

По технологическим причинам такая геометрия не может быть реализована на большой площади, поэтому планарные SIT имеют небольшие рабочие токи. В приборах с утопленным затвором ситуация меняется, так как катодный эмиттер занимает большую часть площади и прохождение тока ограничивается только самим затвором.

Кроме того, в структурах с утопленным затвором обеспечивается меньшее тепловое сопротивление благодаря тепловому контакту с площадью катода.

Если затвор сместить в обратном направлении, когда SIT находится в проводящем состоянии, то прибор выключается. Ток, протекающий от анода к катоду, в этом случае ответвляется в затвор, который восстанавливает запирающие свойства, как обычный диод, до тех пор, пока слой объемного заряда опять не восстановиться и анодный ток полностью не прервется.

Следует отметить два главных фактора, влияющих на способность SIT к выключению: во-первых, время жизни неосновных носителей заряда, во-вторых, последовательное сопротивление затвора. Время жизни неосновных носителей контролируется таким же образом, как и в обычных тиристорах. Применение метода регулирования с помощью электронного облучения дает хороший результат с точки зрения времени выключения и не влияет на другие характеристики прибора, за исключением падения напряжения в открытом состоянии.

Значение последовательного сопротивления затвора сказывается гораздо существеннее на способности SIT к выключению, поскольку во время выключения значительная часть анодного тока протекает через затвор, вызывая компенсацию обратного смещения в тех местах, где сопротивление затвора велико. У планарных SIT этой проблемы не существует, так как в виду металлизации затвора его сопротивление не значительно. Приборы со скрытым затвором имеют высокое сопротивление затвора и поэтому их способность к выключению ограничена. Чтобы решить эту проблему, необходимо длину затвора делать как можно меньше, например, не больше 200 мкм. В этом случае быстрое выключение SIT достигается за счет увеличения их стоимости в процессе производства.