Unipolární tranzistory
MOSFET, JFET, MeSFET,
NMOS, PMOS, CMOS
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
aktivní součástka
řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem
– většinové nosiče
menšinové nosiče – parazitní charakter
n>>p nebo p>>n
vedení proudu – kanál
FET (Field Efect Transistor) – tranzistory řízené
elektrickým polem
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
2 způsoby řízení
změna průřezu vodivého kanálu rozšířením
vyčerpané oblasti – účinek prostorového
náboje přechodu PN
změna koncentrace majoritních nosičů v
inverzním kanálu – indukovaný náboj pod
izolační vrstvou
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
3 základní typy
tranzistory s přechodovým hradlem – JFET
tranzistory s izolovaným hradlem – MISFET,
MOSFET (IGFET) (Metal Insulator Semiconductor FET)
tenkovrstvé tranzistory s izolovaným
hradlem – TFT (Thin Film Transistor)
tranzistory se Schottkyho hradlem - MeSFET
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory rozdělení
UNIPOLÁRNÍ
TRANZISTORY
JFET
kanál N
kanál P
MESFET
MISFET
TFT
MOSFET
s vodivým
kanálem
MNS FET
s indukovaným
kanálem
kanál P
kanál N
kanál N
kanál P
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
kanál N – nositeli proudu elektrony (NMOS)
kanál P – nositeli proudu díry (PMOS)
proud – tvořen majoritními nosiči
odolnější vůči změnám teploty
odolnější vůči dopadajícímu ionizovanému záření
nepřítomnost minoritních nosičů
zapínací a vypínací doba – dána parazitními
kapacitami
parazitní kapacity – teplotně nezávislé → ton, toff
teplotně nezávislé
nedochází k procesu akumulace
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
teorie principu - 1930
praktická realizace – 1960
základ tvoří polovodičová destička typu P nebo N
elektrody – silně dotované oblasti typu N nebo P
řídící kovová elektroda
source S
drain D
gate G
výstup – zdroj proudu
vstup – řízen napětím
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
JFET
řídící elektroda oddělena závěrně polarizovaným PN
přechodem
vyčepaná oblast – dielektrikum
kanál typu P
Ugs >0 – rozšíření PN přechodu – zaškrcení kanálu
zmenšení vodivého kanálu – snížení vodivosti
kanál typu N
Ugs <0 - rozšíření PN přechodu – zaškrcení kanálu
zmenšení vodivého kanálu – snížení vodivosti
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
JFET
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
JFET (Junction Field Effect Transistor)
k řízení je možné použít jen jednu polaritu
napětí na UG
polarita, která udržuje PN přechod v
nepropustném směru
GaAs i jiné materiály, není nutný Si
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MOSFET (Metal Oxide Semicoductor FET)
řídící elektroda oddělena od polovodiče tenkou
dielektrickou vrstvou
základní polovodič – typ P
source, drain – typ N
UG = 0 – source+základní polovodič+drain tvoří dvě
sériové diody zapojené proti sobě
protéká jen sytný proud
UG >0 – k povrchu polovodiče přitaženy elektrony
vznik vrstvy s vyšší koncentrací elektronů než děr –
vrstva typu N - vznik inverzní vrstvy
vznik vodivého kanálu mezi S a D – struktura N+NN+
velikost inverzní vrstvy řiditelná napětím Ug
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MOSFET
drain, source – vysoce dotované polovodiče
izolační vrstva – SiO2
vodivý kanál – kanál vytvořen i v klidovém stavu
izolovaný kanál – kanál vytvořen až pro určité
napětí UG
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MOSFET – vodivý kanál
strmost – tečna k převodní charakteristice
vždy kladná
spojeno s pohyblivostí
větší strmost – větší zesilovací účinky
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MOSFET – indukovaný kanál
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MOSFET
tvar charakteristik ovlivněn výslednou intenzitou
el. pole v polovodiči
r
UG
EG =
ti
2 intenzity el. pole
r
UD
ED =
l
EG – vznik vlivem napětí na G
ti – tloušťka izolační vrstvy
ED – souvisí s kanálem
l – délka kanálu mezi DS
r
EG
r
E D výsledkem je
nakloněná vrstva u G
– vznik dalšího PN
přechodu
r způsobí nasycení
E
charakteristik
SiO2
výborný izolant
přirozeně se vytváří na Si
čím tenčí vrstva tím účinnější řízení vodivosti
kanálu
tranzistor celý z křemíku – 3 různé formy
monokrystal
'
U
=
U
+
U
G
G
T
SiO2
polykrystal – vysokotavný Si pro G
špatně vytvořené SiO2 – absorpce O2, který je
záporně nabit → nutné prahové napětí UT k
odstranění záporných nábojů
UT úměrné počtu kyslíků (jednotky V)
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
SiO2
UT vytváří rozhodovací hladinu pro číslicové
obvody – nesmí být 0V
SiO2 roste dovnitř – malý počet O2
celý proces funkční pouze u Si
samozákrytová technologie (křemíkové hradlo) –
SiO2 překrývá celý kanál s malým přesahem
velký přesah SiO2 – zvýšení plochy – zvýšení
kapacity
postup výroby – nejdříve Si s SiO2, následuje
vytvoření G, naposled D a S – difúze
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
NMOS
Si typu P
vytváří se vrstva typu N
lepší řešení díky větší pohyblivosti elektronů
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
PMOS
opak NMOS
Si typu N
vytváří se vrstva typu P
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors)
CMOS = NMOS + PMOS
napětím buzený prvek – řídící veličina UG
jeden z tranzistorů vždy uzavřen – protéká jen malý
proud
malý energetický úbytek
spoje G je ve skutečnosti složitější
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
CMOS
nelze v elektronkové verzi – neexistuje komplementární obvod
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MeSFET (Metal Semiconductor FET)
tři kovové elektrody na polovodičovém základu
založeno na Schottkyho jevu
source+drain – ohmický kontakt
výstupní práce WS>WC pro typ N
gate – Shottkyho bariéra
výstupní práce WS<WC pro typ N
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
MeSFET
nízké statické a dynamické ztráty
polovodičové vlastnosti jako JFET
planární struktura – možnost integrace
GaAs – větší pohyblivost → větší rychlost přepínání
délka kanálu pod 1 µm → mezní frekvence 10 GHz
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
IGBT (Insulated Gate Transistor)
podobné struktuře MOS
spojuje funkce struktury MOS, bipolárního
tranzistoru a výkonové diody
pro UG>0 – vytvoření inverzní vrstvy
vodivé spojení emitoru (N+) s oblastí báze (N)
malý odpor kanálu
vyvolání injekce děr z přechodu P+N
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
IGBT
velká proudová hustota – velký proud (300 A)
vysoké blokovací napětí (1400 V)
velký úbytek napětí i pro malé proudy
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Speciální unipolární
tranzistory
tranzistory MOS se dvěma hradly – malá
kapacita, velká strmost, použitelnost do 1 GHz
tranzistory HEMT – kanál tvořen jen tenkou
vrstvou (150 nm), vyšší pohyblivost elektronů,
výborné frekvenční a šumové vlastnosti, vyššé
strmost než MeSFET
výkonové tranzistory – menší odpor v
sepnutém stavu, struktura je vertikální (VFET)
– lepší odvod tepla, LDMOS, VDMOS, VVMOS
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistor – popis
pomocí matice Y
y11 – vstupní admitance
y12 – zpětná převodní vodivost
y21 – převodní vodivost (strmost) – aktivní činnost
součástky
y22 – výstupní admitance
iG
iG
y12 =
y11 =
( u DS = 0 )
uGS 
iG 
uGS
u DS
i  = [Y ] u 
 D
 DS 
iG = y11uGS + y12u DS
iD = y21uGS + y22u DS
iD
y21 =
uGS
( u DS = 0 )
iD
y22 =
u DS
( uGS = 0 )
( uGS = 0 )
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistor - kapacita
CGS > CGD > C DS
setrvačnost FETů
závislost na době průchodu náboje kanálem
(kanál co nejkratší)
mezielektrodové kapacity (jednotky pF)
dvojice soustředěných kapacit – CGS a CGD
CGD musí být co nejmenší
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistor - spínání
vliv kapacit
oblast A – nevodivý stav
U1<UP (prahové napětí)
oblast B – aktivní oblast
(přechází do stavu
sepnutí)
oblast C – stav sepnutí
τ A = Ri CGS
τ B = Ri [CGS + CGD (1 + SRZ )]
τ C = Ri (CGS + CGD )
SRz – zesílení vázané na Millerovu
kapacitu – prodloužení intervalů τB
Zapojení unipolárního tranzistoru
– nastavení pracovního bodu
nutné znát průběh výstupních charakteristik
graficko-početní metoda pro určení hodnot
součástek
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Nastavení pracovního bodu
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární technologie
lépe integrovatelná
nebezpečí vzniku „short canal effect“
krátký kanál – vede k odsycení charakteristik
stejný efekt jako Earlyho jev u bipolárních tranz.
délka kanálu – jednotky µm – menší
nebezpečí
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Unipolární tranzistory
Děkuji za pozornost
Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)
Download

Unipolární tranzistory