Unipolární tranzistory

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



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)


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


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)


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)


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


JFET


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


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


MOSFET – vodivý kanál

strmost – tečna k převodní charakteristice

vždy kladná spojeno s pohyblivostí

větší strmost – větší zesilovací účinky


MOSFET – indukovaný kanál


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


NMOS

Si typu P vytváří se vrstva typu N lepší řešení díky větší pohyblivosti elektronů


PMOS

opak NMOS Si typu N vytváří se vrstva typu P


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


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


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


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


IGBT

velká proudová hustota – velký proud (300 A) vysoké blokovací napětí (1400 V) velký úbytek napětí i pro malé proudy


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 )


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


Unipolární tranzistor - spínání

vliv kapacit

oblast A – nevodivý stav U1
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


Nastavení pracovního bodu


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



Děkuji za pozornost


Unipolární tranzistory

Recommend Documents