6. Полевые транзисторы для силовой электроники

6.1. Мощные полевые транзисторы

В соответствии с существующей классификацией, к мощным относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью более 3 Вт. Следует отметить, что разработаны и серийно выпускаются приборы с рабочими токами в тысячи ампер и рабочими напряжениями в тысячи вольт.

Первые мощные n-канальные МДПТ имели горизонтальную структуру. В соответствии с рисунком 6.1 транзисторы имеют протяженный участок стоковой n-области. Это обеспечивает высокие рабочие напряжения без опасности перекрытия короткого (около 5 мкм) канала. Структура поверхности этих приборов сильно разветвлена и имеет вид змейки, что позволяет увеличить ширину и этим добиться больших рабочих токов, исчисляемы амперами (у транзисторов КП904 и КП907).

Рис. 6.1. Структура мощного n-канального МДП-транзистора

с горизонтальной структурой

В упрощенном виде, ВАХ мощного ПТ в омической области описывается выражением

, (6.1)

где B – ширина канала; L – длина канала;

- удельная емкость затвора.

Крутизна транзистора в пологой области в упрощенном виде описывается соотношением

. (6.2)

Фактически на работу мощных ПТ с горизонтальной структурой большое влияние оказывают различные физические эффекты: изменение канальной поверхностной подвижности µ_n и длины канала L, а так же влияние объемных сопротивлений r_И и r_C и явление электрического пробоя при больших напряжениях на стоке.

Лучших электрических параметров удается добиться при изготовлении МДП-транзисторов с вертикальной структурой. Структура VМДПТ имеет вид в соответствии c рисунком 6.2.

Такие транзисторы имеют малую длину канала L, определяемую толщиной p-области (порядка 1 мкм).

Транзисторы имеют объемную n-область. В эту область вытесняется объемный заряд при высоких напряжениях U_СИ и заметно снижается сопротивление канала в открытом состоянии.

Рис.6.2. Структура мощного n-канального VМДП-транзистора

6.2 Транзисторы со статической индукцией

Транзисторы со статической индукцией СИТ (SIT – Static Induction Transistor) являются разновидностью полевых приборов с p-n-переходом. Условное графическое обозначение транзисторов приведено на рисунке 6.3,а.

Большие рабочие токи и большая рассеиваемая мощность достигаются использованием многоячеечной структуры канала и короткого канала, достигаемого вертикальным расположением истока и стока.

Среди базовых ячеек статического индукционного транзистора (СИТ) выделяют три основных типа (рисунок 6.3, б, в, г), различающихся конструкцией управляющего затвора. Это структуры со скрытым затвором, размещенным в виде решетки в глубине проводящего канала, с поверхностным (планарным) затвором и с притопленным затвором, размещенным в V-образной канавке. Способ размещения затвора влияет также на частотные характеристики структуры. Скрытому затвору свойственна большая входная емкость, и транзисторы подобной конструкции не могут иметь предельную частоту усиления более 5 МГц.

а) б)

в) г)

Рис. 6.3. Условное обозначение (а) и поперечное сечение базовых ячеек статического индукционного транзистора: со скрытым затвором (б),

с поверхностным затвором (в) и с затвором в V-образной канавке (г)

Если область затвора выходит на поверхность кристалла, то помимо уменьшения паразитной емкости становится возможным резкое снижение последовательного сопротивления во входной управляющей цепи транзистора, что способствует улучшению частотных свойств. Наконец, наименьшей входной емкостью обладает структура, в которой затвор размещается в канавке.

В качестве исходного материала для изготовления СИТ используется кремниевая пластина с электронной проводимостью (нижний слой n) . Все высоковольтные и сильноточные приборы имеют вертикальную структуру. На поверхности исходной пластины выращивается эпитаксиальный слой, толщина которого определяет пробивное напряжение структуры. Последующие операции маскирования, окисления и травления формируют необходимую геометрию затвора, называемого также полупроводниковой управляющей сеткой и истока. Затем осуществляют имплантацию акцепторной и донорной примеси и окончательно формируют p⁺ - и n⁺-области, как это показано в каждой из базовых ячеек. Заключительной технологической операцией является напыление слоя металлизации и создание омических контактов к истоку, затвору и с обратной стороны подложки к стоку. Часть структуры, расположенной между областями затворов, называют областью канала.

При приложении к затвору отрицательного напряжения вокруг управляющих p⁺-n⁺-переходов формируется область пространственного заряда, главным образом простирающаяся в глубь n^--слоя. При смыкании обедненных областей происходит отсечка проводящего канала, и ток в структуре отсутствует (рисунок 6.4). Если увеличить выходное напряжение сток-исток при заданном отрицательном смещении на затворе, электрическое поле стока будет проникать вглубь канала и снижать потенциальный барьер обратно смещенного перехода. При определенном значении выходного напряжения потенциальный барьер исчезает и в канале появляется ток. Способность структур перекрывать воздействие внешнего напряжения характеризуется параметром, называемым коэффициентом блокирования. Этот коэффициент определяется как отношение абсолютных значений внешнего напряжения сток-исток к управляющему напряжению затвор-исток при некотором минимально допустимом токе стока. Геометрические и электрофизические параметры эпитаксиального n^--слоя определяют максимально допустимые значения блокируемых напряжений. Одним из главных механизмов пробоя в структуре СИТ является лавинный механизм умножения носителей, названный лавинным пробоем.

Данный пробой возникает при чрезмерном увеличении напряженности электрического поля в n^--области или с ростом температуры кристалла и всегда проявляется в виде пробоя между стоком и затвором.

Рис. 6.4. Перекрытие канала обедненной областью пространственного

заряда в структуре СИТ

В отсутствии смещения на затворе, когда напряжение затвор-исток равно нулю, через канал транзистора протекает ток. Прямое напряжение в открытом состоянии СИТ-ключа определяется главным образом омическим сопротивлением высокоомного эпитаксиального n^--слоя. Чтобы уменьшить сопротивление структуры в открытом состоянии, через управляющий затвор проводят инжекцию неосновных носителей, осуществляющих модуляцию проводимости канала. Для этого на управляющий p⁺-n⁺-переход подают положительное смещение.

Рис. 6.5. Выходная характеристика СИТ в биполярном (режим БТ) и полевом (режим ограничения объемным зарядом) режиме работы

В зависимости от того, присутствует в открытом состоянии ключа положительное смещение на затворе или нет, различают соответственно биполярный и полевой режим работы (рисунок 6.5). В чисто полевом режиме сопротивление ключа в открытом состоянии относительно велико. Поэтому для транзисторов с рабочим напряжением более 600 В данный режим эффективен только при низких токах порядка единиц ампер.

Характеристики СИТ приборов в полевом режиме напоминают ВАХ электровакуумных триодов.

При увеличении запирающего напряжения U_ЗИ области p-n-перехода расширяются и, следовательно, проводящий канал сужается, как и в обычном ПТ с p-n-переходом. Однако влияние напряжения сток-исток на ВАХ у СИТ проявляется по-иному. Падение напряжения на канале СИТ, вызванное протеканием тока стока не велико благодаря очень малой длине канала и не обладает заметным управляющим действием. Не происходит заметного расширения областей p-n-перехода за счет напряжения сток-исток и, следовательно, не формируется пологий участок ВАХ СИТ, как у обычных ПТ с p-n-переходом.

При увеличении запирающего напряжения U_ЗИ области p-n-перехода расширяются и, следовательно, проводящий канал сужается, как и в обычном ПТ с p-n-переходом. Однако влияние напряжения сток-исток на ВАХ у СИТ проявляется по-иному. Падение напряжения на канале СИТ, вызванное протеканием тока стока не велико благодаря очень малой длине канала и не обладает заметным управляющим действием. Не происходит заметного расширения областей p-n-перехода за счет напряжения сток-исток и, следовательно, не формируется пологий участок ВАХ СИТ, как у обычных ПТ с p-n-переходом.

Фактически, при увеличении напряжения U_СИ уменьшается напряженность электрического поля в области затвора и истока, тормозящего электроны при их движении от истока к стоку. Увеличение напряжения сток-исток приводит к росту тока стока. Чем больше напряжение сток-исток, тем круче ВАХ. Это позволяет достигать очень малых дифференциальных сопротивлений канала R_i (долей Ома).

Передаточные характеристики СИТ в соответствии с рисунком 6.6 имеют протяженный линейный участок, что представляет интерес для разработки усилительных устройств большой мощности с малыми нелинейными искажениями (Hi-Fi - High Fidelity).

Другой перспективной областью применения СИТ является силовая электроника, где транзисторы используются в ключевом режиме, реализуя очень высокие значения коэффициента качества

, (6.3)

при незначительной мощности, потребляемой цепями управления.

В биполярном режиме управляющий затвор открытого транзистора находится при положительном смещении и работает в режиме заданного входного тока. Для характеристики степени модуляции канала используют параметр, называемый коэффициентом усиления по току В. Этот коэффициент является аналогом коэффициента передачи тока базы в биполярном транзисторе.

В этой связи для максимально возможного тока стока I_С режим управления, когда положительный ток затвора больше отношения I_С/β, называют режимом насыщения. Коэффициент усиления В определяется электрофизическими параметрами структуры СИТ и имеет падающий характер при увеличении тока стока (рисунок 6.7)

Рис. 6.6. Характеристика прямой передачи СИТ

Рис. 6.7. Зависимость коэффициента усиления по току h₂₁ от тока стока I_C

в биполярном режиме работы СИТ

Следует заметить, что по абсолютной величине β в несколько раз больше аналогичного параметра для мощных биполярных транзисторов, что в целом снижает потери на управление.

В классическом варианте СИТ является прибором нормально-открытого типа. Для его запирания на затвор необходимо подать отрицательное смещение, а в открытом состоянии возможны полевой и биполярный режим работы. В то же время разрабатываются структуры СИТ нормально-закрытого типа, в которых отсечка канала осуществляется даже при нулевом смещении на затворе за счет области пространственного заряда, образованной контактной разностью потенциалов на p-n-переходах затвора. Очевидно, что в открытом состоянии данного транзистора присутствует только биполярный механизм переноса тока. Такие структуры называют биполярными СИТ или БСИТ (BSIT).

Динамические характеристики СИТ также зависят от того, в каком режиме находился прибор при протекании прямого тока. В полевом режиме быстродействие ключа определяется временем перезаряда межэлектродных емкостей, и прежде всего входной емкости затвор-исток C_ЗИ и переходной емкости затвор-сток C_ЗС. Емкость C_ЗИ включает в себя емкость между диффузионными областями управляющего p-n-перехода и емкость между металлизированными дорожками истока и затвора. Емкость C_ЗС связана прежде всего с обедненной областью и прямо пропорциональна площади активной области транзистора и обратно пропорциональна ширине области пространственного заряда сток-исток. Обе емкости уменьшаются с ростом стокового напряжения. Для улучшения характеристик переключения помимо уменьшения паразитных емкостей следует также уменьшить сопротивление областей управляющего p-n-перехода (рисунок. 6.8).

а)

б)

Рис. 6.8. Составляющие емкости СИТ (а) и влияние напряжения стока

на их величину (б)

Переключение СИТ в биполярном режиме также включает в себя этап перезаряда конструктивных емкостей. В этом смысле было бы правильно именовать данный режим биполярно-полевым. Кроме этого, необходимо учитывать этапы модуляции проводимости канала и рассасывания неосновных носителей. Это значительно снижает быстродействие ключа по сравнению с полевым режимом. Включение СИТ в данном случае можно представить как переключение диода, образованного областями управляющей сетки и стока (рисунок 6.9). При смене полярности управляющего сигнала в цепи затвора будет наблюдаться значительный по амплитуде выброс тока. Этот ток обусловлен экстракцией неосновных носителей из базовой области насыщенного диода, и в несколько раз превосходит токи перезаряда барьерных емкостей.

Рис. 6.9. Эквивалентная структура СИТ