Современные полевые транзисторы
В зарубежной литературе различные типы полевых транзисторов (и биполярный) обозначаются как:
BJT (bipolar junction transistor) – биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора);
FET (field effect transistor) -полевой транзистор;
JFET (junction gate field-effect transistor) - транзистор с управляющим р-n переходом;
MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) - транзисторы на основе МОП-структур;
SIPMOS (Siemens Power MOS) - мощные МОП приборы Сименс, элементарные ячейки выполнены в форме квадрата Siemens Power MOS.
Структура SIPMOS подразумевает организацию в одном кристалле тысяч образующих квадрат параллельно-включенных МОП транзисторных ячеек;
HEXFET (hexagonal field-effect transistor) - элементарные ячейки выполнены в форме шестиугольника.
Структура HEXFET подразумевает организацию в одном кристалле тысяч, образующих шестиугольник, параллельно-включенных МОП транзисторных ячеек;
VMOS (Vertical Metal Oxide Semiconductor) – транзистор с вертикальной структурой, фирма PHILLIPS;
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) - биполярный транзистор с изолированным затвором.
HEMFET, HEMT ( High Electron Mobility Transistor) - транзистор с высокой подвижностью электронов.
Конструкции мощных MOSFET (SIPMOS, HEXFET) транзисторов
В последние четверть века сильное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа.
Они состоят из множества параллельных маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора.
В СССР впервые такие приборы были созданы специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы). Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ).
Мощные ключевые (импульсные) полевые транзисторы со специальными структурами имеют высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500-1000 В и 50-100 А).
Такие приборы управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения.
У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.
Фирмы производители: International Rectifier, Motorola, Siemens, Ixys, Mitsubishi
MOSFET транзистор
Планарный MOSFET транзистор с горизонтальным каналом, изготовленный методом литографии (рис.11.1 б) имеет ряд недостатков.
Сопротивление канала пропорционально длине канала а крутизна стоко-затворной характеристики обратно пропорциональна длине.
Кроме того короткий канал позволяет сократить размеры транзистора. На смену горизонтальному каналу пришел MOSFET с вертикальным каналом (рис.11.1а) и его разновидность V- образный МОП (рис.11.1в)
! Отличием от ранее рассмотренных структур является наличие легированной области для создания канала.
Положительное напряжение на затворе относительно стока вызывает инверсию p- области (индуцированный канал n –типа).
Недостатком структуры является наличие (рис.11.1а) сопутствующей “паразитной” биполярной структуры – n+ исток (Э), p-канальная область (Б) и n- n+ - стоковая область (К).
Существует вероятность пробоя биполярной структуры.
Уменьшение влияния ” биполярной структуры”- соединения эмиттера и базы металлическим электродом истока на поверхности MOSFET (перекрытие n+ и p областей).
Рис. 11.1 Структуры мощных FET транзисторов, а - вертикальный канал; б - горизонтальный канал;в – V образный с вертикальным каналам.
Остается в структуре внутренний диод - p-канальная область и n- n+ - стоковая область. УГО MOSFET на рис.11.2
Рис. 11.2 УГО MOSFET
IGBT транзистор
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) - биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).
Дискретная реализация побистора (от слов полевой и биполярный транзистор) — прибора, сочетающего свойства БТ и ПТИЗ (полевой транзистор с изолированным затвором) была сделана советскими учёными в 1978 г.
Данный тип приборов IGBT создан за рубежом в начале 1980-х гг, и запатентован International Rectifier в 1983 г.
Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков - медленного переключения и низкой надёжности.
Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом свободно от этих недостатков.
IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:
- малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
- характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
- управление как у MOSFET – напряжением;
- высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности - от транзисторов с изолированным затвором;
- низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии - от биполярных транзисторов.
Диапазон использования - от десятков А до 1000 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению
IGBT, представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от MOSFET-транзистора с индуцированным каналом.
Структура базовой IGBT- ячейки представлена на рис. 11.3. Она содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи.
Рис. 11.3 Структуры IGBT транзисторов.
При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n– -слоя.
При подаче на изолированный затвор положительного смещениявозникает (индуцируется, вследствие инверсии слоя) проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора.
Между внешними выводами коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (b+1) раз.
При включенном биполярном транзисторе в n– -область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок, рис. 1.3), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.
Эквивалентня схема IGBT транзистора:
Рис. 11.4 Эквивалентные схемы IGBT транзистора.
УГО IGBT транзистора (рис.11.5).
Рис. 11.5 УГО IGBT
HEMFET транзистор
HEMFET, HEMT ( High Electron Mobility Transistor), транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) - полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП-транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (т. н. гетеропереход).
Другие названия этих транзисторов: полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник и гетеропереходом, ГМеП транзисторы, полевые транзисторы с модулированным легированием, селективно-легированные гетероструктурные транзисторы (СЛГТ).
В зарубежной литературе помимо их обозначения HEMT в зависимости от структуры также используются аналогичные названия: HFET, HEMFET, MODFET, TEGFET, SDHT.
Область применения ТВПЭ, - связь в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн, радары и радиоастрономия, там где требуется высокая степень усиления сигнала и низкий шум на больших частотах.
ТВПЭ способны производить усиление по току при частотах выше 600 ГГц и по мощности при частотах более чем 1 ТГц.
В январе 2010 г. группа ученых из Японии и Европы представила террагерцовый ТВПЭ с рабочей частотой 2,5 ТГЦ.
ТВПЭ могут быть выполнены как отдельные транзисторы, но чаще приборы выпускаются в форме монолитной микроволновой интегральной схемы (MMIC - Monolithic Microwave Integrated Circuit).
ТВПЭ нашли свое применение во многих видах оборудования от мобильных телефонов и широкополосных спутниковых ресиверов до систем электронного обнаружения, таких как радары и радиотелескопы.
Другие МДП-структуры транзисторов
