docPrzyrządy półprzewodnikowe – część 4
download 
Reklamacja Transkrypt
Przyrządy półprzewodnikowe – część 4
Przyrządy półprzewodnikowe – część 4 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 116 e-mail: [email protected] wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIiA E&T Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET Podstawowe własności : ● prąd obciążenia ID płynie od elektrody źródła S do elektrody drenu D p+ S D n - channel ● złącze p+ – n-kanał jest spolaryzowane wstecznie ● nie występuje wstrzykiwanie nośników, gęstości nośników są równe ich wartościom równowagowym ● prąd obciążenia może być traktowany jako prąd czysto większościowy ● tranzystor jest sterowany przez napięcie bramka-źródło UGS G D S G JFET Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyka przejściowa ID ● I1 p+ S D n G UP ● Założenie: UDS jest tak małe, że nie wpływa na zjawiska w kanale. ● Kanał dla przepływu prądu jest ograniczony przez krawędzie warstwy SCR obu złącz. ● Ponieważ Na>>Nd większa część SCR występuje w warstwie n-kanału. UGS UGS = 0 UDS – małe ID = I1 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyka przejściowa ID I1 S D G ● Kiedy wartość UGS rośnie, warstwa SCR rozszerza się i szerokość kanału maleje. ● Jeżeli szerokość kanału jest mniejsza, jego rezystancja staje się większa i prąd drenu ID maleje. ● UP UGS Up< UGS < 0 UDS – małe ID < I1 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyka przejściowa ID I1 S D G ● UP ● Kiedy wielkość napięcia UGS osiąga wartość UP, nazywaną napięciem odcięcia, SCR wypełnia cały obszar kanału i kanał znika. ● Jeżeli nie ma kanału ze swobodnymi nośnikami, w naszym przypadku elektronami, prąd pomiędzy źródłem i drenem nie może płynąć. Tranzystor znajduje się w stanie wyłączenia. UGS UGS = Up UDS – małe ID = 0 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar liniowy UGS = 0 IDSS p S Obszar nasycenia D n G ● ● Omówienie zjawisk wywołanych wzrostem napięcia UDS przedstawiono dla krzywej odpowiadającej UGS=0 (linia niebieska). ● Przy UGS=0, występuje maksymalna osiągalna wartość prądu drenu, IDSS. UGS = Up UP UDS UGS = 0 UDS = 0 ID = 0 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar liniowy IDSS D S UGS = 0 ● G UGS = Up UP ● W obszarze liniowym kanał pozostaje otwarły chociaż lateralny spadek napięcia, wywołany przepływem prądu, prowadzi do modulacji kształtu kanału. ● Jak długo różnice w szerokości kanału przy źródle i drenie są pomijalnie małe charakterystyka jest liniowa, ulega ona jednak zakrzywieniu gdy stają się one istotne. UDS UGS = 0 UDS < Up 0 < ID < IDSS Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia IDSS ● UGS = 0 D S G UGS = Up UP ● Kiedy spadek napięcia wzdłuż kanału osiągnie wartość równą napięciu odcięcia, UDS= Up, polaryzacja złącza bramka-kanał od strony drenu również staje się równa Up. Oznacza to, że górny i dolny obszar SCR łączą się i następuje w tym miejscu przerwanie kanału. UDS UGS = 0 UDS = Up ID = IDSS Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia ● IDSS S ●P UGS = 0 D G UGS = Up UP ● W obszarze nasycenia, warunki panujące w kanale ulegają „zamrożeniu”: spadek napięcia do punktu przerwania kanału P pozostaje stały, stała jest rezystancja pomiędzy elektrodą źródła S i punktem P, a stały prąd płynący w kanale, ID, jest zbierany przez obszar SCR i przenoszony do obszaru drenu. UDS UGS = 0 UDS = Up ID = IDSS Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia ● IDSS UGS = 0 D S G UGS = Up UP ● W obszarze nasycenia, wzrost napięcia UDS prowadzi jedynie do wzrostu obszaru SCR w wyniku przesunięcia się jego granicy od strony drenu, bez zmian w wartości prądu drenu ID. ● Wielkość prądu drenu jest zależna jedynie od warunków w pozostałej części kanału, które nie ulęgają zmianie. UDS UGS = 0 UDS = Up ID = IDSS Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor JFET – charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia UGS = 0 IDSS D S ● G UGS = Up UP ● Kiedy występuje polaryzacja bramki, UGS≠ 0, początkowa szerokość kanału jest mniejsza i efekt odcięcia występuje przy mniejszym napięciu UDS oraz mniejszej wartości prądu drenu. ● Granica pomiędzy obszarami liniowym i nasycenia ma kształt paraboliczny określony zależnością: UDS UGS < 0 UDS = Up ID < IDSS UP = UGS + UDS Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Zasada działania struktury MIS Rozważmy półprzewodnikowy rezystor z dwoma kontaktami planarnymi oznaczonymi jako S i D. Jeżeli do jego kontaktów zostanie przyłożone napięcie UDS, popłynie pomiędzy nimi prąd ID o amplitudzie: ID = UDS/RDS S + UDS - D ID L n gdzie RDS rezystancja pomiędzy kontaktami D i S Ponieważ prąd płynie jedynie w wąskiej cienkiej warstwie, rezystancja RDS będzie określona przez wymiary tej warstwy i jej rezystywność, a w szczególności będzie proporcjonalna do do jej grubości L i koncentracji elektronów n: RDS ~ n/L Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Zasada działania struktury MIS Jeżeli ta struktura zostanie uzupełniona o dwie elektrody: B – umieszczoną na dolnej powierzchni i nazwaną „body” G – umieszczoną nad górną powierzchnią i nazwaną „gate”, to odpowiada to wprowadzeniu nowego elementu. S + G - D n B Te nowe elektrody wprowadzają kondensator płaski CGB z elektrodą G jako górną okładką i elektrodą B, która łącznie ze strukturą półprzewodnikową, jest dolną okładką. Są one oddzielone przerwą powietrzną d spełniającą rolę dielektryka. Jeżeli przerwa powietrzna d jest mniejsza, kondensator gromadzi na okładce większy ładunek QG przy tym samym napięciu UGB. Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Zasada działania struktury MIS Jeżeli napięcie UGB > 0 jest przyłożone do kondensatora CGB, na każdej z jego okładek zgromadzi się ten sam ładunek QG, odpowiednio, dodatni na elektrodzie G i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. QG = UGB CGB G + S + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ D n B - W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji RDS , czemu towarzyszy wzrost prądu ID przy niezmienionej wartości napięcia UDS. W całej strukturze półprzewodnikowej występują warunki równowagi termodynamicznej - t.j. przy wzroście koncentracji elektronów w każdym jej punkcie jest spełniony warunek n0p0=ni2 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Zasada działania struktury MIS Jeżeli napięcie UGB > 0 jest przyłożone do kondensatora CGB, na każdej z jego okładek zgromadzi się ten sam ładunek QG, odpowiednio, dodatni na elektrodzie G i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. QG = UGB CGB G + S + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ D n B - Materiał dielektryczny W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji RDS , czemu towarzyszy wzrost prądu ID przy niezmienionej wartości napięcia UDS. W całej strukturze półprzewodnikowej występują warunki równowagi termodynamicznej - t.j. przy wzroście koncentracji elektronów w każdym jej punkcie jest spełniony warunek n0p0=ni2 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystory MOSFET – przegląd Przyrządy lateralne – prąd płynie lateralnie, a wszystkie kontakty (bramki, źródła, drenu) są na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej podstawowe zastosowania: układy scalone i przyrządy mocy dla zastosowań w obwodach małej mocy Przyrządy wertykalne – prąd płynie wertykalnie, kontakty źródła i bramki są na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej, a kontakt drenu na dolnej podstawowe zastosowania: przyrządy mocy dla zastosowań w obwodach średniej i dużej mocy Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystory MOSFET – przegląd W układach scalonych S B G D S G D S G D S podłoże G D Tranzystor MOS Przyrządy dyskretne B+S G D B+S G lateralny wertykalny D Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystory MOSFET – przegląd ● tranzystory MOS z kanałem p są wytwarzane w podłożu n, jak na rysunku D p+ p+ p n B ● tranzystory MOS z kanałem p posiadają dwie wyspy p, odpowiednio, źródła i drenu, które są oddzielone przez obszar przeznaczony dla kanału ● kanał może być wbudowany (górny rysunek) lub zaindukowany (dolny rysunek) G S ● tranzystor MOS może być z kanałem typu n lub p S G p+ D p+ n B Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał wbudowany S G G D p+ Cg p+ p n SCR G Cj B B ● Kanał wbudowany wprowadza ścieżkę dla przepływu prądu pomiędzy źródłem i drenem, jak również dodatkowe złącze p-n oraz jego pojemność złączową. ● Podobnie jak JFET, jest to tranzystor normalnie załączony, którego kanał jest modulowany przez obszar SCR wstecznie spolaryzowanego złącza. ● Tranzystory normalnie załaczone sa nazywane tranzystorami z kanałem zubażanym Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany S G p+ G D Cg p+ D S n B B ● Nie ma wbudowanej ścieżki dla przepływu prądu pomiędzy źródłem i drenem, a połączenie żródło-dren jest utworzone przez dwie połączone anty-równoległe diody. ● Kanał może być utworzony przez zjawiska mające miejsce bezpośrednio pod elektrodą bramki. Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Idealna warstwa dielektryczna – w półprzewodniku nie ma ładunku S p+ G D p+ G n B B QCGB = 0 UCGB = 0 ● Idealny proces osadzania warstwy dielektrycznej na idealnej strukturze półprzewodnikowej. ● Nie ma jonów wbudowanych w warstwę dielektryczną lub związanych ze stanami powierzchniowymi w półprzewodniku. ● Nie ma wbudowanego ładunku ani polaryzacji na kondensatorze bramka-podłoże. Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Technologia rzeczywistej warstwy dielektrycznej – warstwa akumulacyjna w półprzewodniku G S D p+ p+ n B G + + + _ _ _ B QCGB 0 UCGB > 0 ● W warstwie dielektrycznej występuje ładunek uwięzionych jonów dodatnich. ● Jest on skompensowany przez ujemny ładunek dziur w cienkiej warstwie poniżej dielektryka, która jest nazywana warstwą akumulacyjną. ● Polaryzacja pojemności bramka-podłoże odpowiada ładunkowi QCGB. ● Jest to tranzystor normalnie wyłączony z kanałem wzbogacanym Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Technologia rzeczywistej warstwy dielektrycznej – warstwa inwersyjna w półprzewodniku G S D p+ p+ n B G _ _ _ QCGB 0 + + + UCGB > 0 B ● W warstwie dielektrycznej występuje ładunek uwięzionych jonów ujemnych. ● Jest on skompensowany przez dodatni ładunek dziur w cienkiej warstwie poniżej dielektryka. Jeżeli w tej warstwie p0>n0, staje się ona warstwą typu p nazywaną warstwą inwersyjną, łączącą obie p-wyspy. ● Polaryzacja pojemności bramka-podłoże odpowiada ładunkowi QCGB. ● Jest to tranzystor normalnie załączony z kanałem zubażanym Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym G S p+ ID D p+ n UGS = 0 przy powierzchni występuje warstwa akumulacyjna, powierzchniowa koncentracja elektronów większa niż objętościowa prąd nie płynie ● UT UGS UGS = 0 UDS – małe ID = 0 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym G S p+ ID D p+ n UGS = UT (napięcie progowe) stan samoistny przy powierzchni (n0=p0), nie ma prądu drenu ● UT UGS UGS = UT UDS – małe ID = 0 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystor MOSFET – kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym G S p+ ID D p+ ● n UT UGS > UT przy powierzchni występuje warstwa inwersyjna typu p tworząca kanał typu p łączący wysepki źródła i drenu prąd drenu płynie UGS UGS > UT UDS – małe ID > 0 Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystory MOSFET – charakterystyki D G D Tranzystor z kanałem wzbogacanym B G S B S ID ID UGS = UT UT UGS Charakterystyka przejściowa UDS Rodzina charakterystyk wyjściowych Część 4 Przyrządy unipolarne – Tranzystory Tranzystory MOSFET – charakterystyki D G Tranzystor z kanałem zubażanym B S ID D G B S ID UGS = 0 Up UGS Charakterystyka przejściowa UDS Rodzina charakterystyk wyjściowych Część 4
