Unipolární tranzistory

Transkript

1 Unipolární tranzistory MOSFET, JFET, MeSFET, NMOS, PMOS, CMOS

2 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

3 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

4 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

5 Unipolární tranzistory - rozdělení UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY JFET MISFET MESFET kanál N kanál P TFT MOSFET MNS FET s vodivým kanálem kanál P kanál N s indukovaným kanálem kanál N kanál P

6 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 t on, t off teplotně nezávislé nedochází k procesu akumulace

7 Unipolární tranzistory teorie principu praktická realizace 1960 základ tvoří polovodičová destička typu P nebo N elektrody silně dotované oblasti typu N nebo P source S drain D řídící kovová elektroda gate G výstup zdroj proudu vstup řízen napětím

8 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

9 JFET

10 JFET (Junction Field Effect Transistor) k řízení je možné použít jen jednu polaritu napětí na U G polarita, která udržuje PN přechod v nepropustném směru GaAs i jiné materiály, není nutný Si

11 MOSFET (Metal Oxide Semicoductor FET) řídící elektroda oddělena od polovodiče tenkou dielektrickou vrstvou základní polovodič typ P source, drain typ N U G = 0 source+základní polovodič+drain tvoří dvě sériové diody zapojené proti sobě protéká jen sytný proud U G >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

12 MOSFET drain, source vysoce dotované polovodiče izolační vrstva SiO 2 vodivý kanál kanál vytvořen i v klidovém stavu izolovaný kanál kanál vytvořen až pro určité napětí U G

13 MOSFET vodivý kanál strmost tečna k převodní charakteristice vždy kladná spojeno s pohyblivostí větší strmost větší zesilovací účinky

14 MOSFET indukovaný kanál

15 MOSFET tvar charakteristik ovlivněn výslednou intenzitou el. pole v polovodiči 2 intenzity el. pole r E = U r E U l G D G D = ti E G vznik vlivem napětí na G t i tloušťka izolační vrstvy E D souvisí s kanálem l délka kanálu mezi DS E r G E r D E r výsledkem je nakloněná vrstva u G vznik dalšího PN přechodu způsobí nasycení charakteristik

16 SiO 2 výborný izolant přirozeně se vytváří na Si čím tenčí vrstva tím účinnější řízení vodivosti kanálu tranzistor celý z křemíku 3 různé formy monokrystal SiO 2 U + U = U ' G polykrystal vysokotavný Si pro G špatně vytvořené SiO 2 absorpce O 2, který je záporně nabit nutné prahové napětí U T k odstranění záporných nábojů U T úměrné počtu kyslíků (jednotky V) G T

17 SiO 2 U T vytváří rozhodovací hladinu pro číslicové obvody nesmí být 0V SiO 2 roste dovnitř malý počet O 2 celý proces funkční pouze u Si samozákrytová technologie (křemíkové hradlo) SiO 2 překrývá celý kanál s malým přesahem velký přesah SiO 2 zvýšení plochy zvýšení kapacity postup výroby nejdříve Si s SiO 2, následuje vytvoření G, naposled D a S difúze

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

19 PMOS opak NMOS Si typu N vytváří se vrstva typu P

20 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) CMOS = NMOS + PMOS napětím buzený prvek řídící veličina U G jeden z tranzistorů vždy uzavřen protéká jen malý proud malý energetický úbytek spoje G je ve skutečnosti složitější

21 CMOS nelze v elektronkové verzi neexistuje komplementární obvod

22 MeSFET (Metal Semiconductor FET) tři kovové elektrody na polovodičovém základu založeno na Schottkyho jevu source+drain ohmický kontakt výstupní práce W S >W C pro typ N gate Shottkyho bariéra výstupní práce W S <W C pro typ N

23 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

24 IGBT (Insulated Gate Transistor) podobné struktuře MOS spojuje funkce struktury MOS, bipolárního tranzistoru a výkonové diody pro U G >0 vytvoření inverzní vrstvy vodivé spojení emitoru (N+) s oblastí báze (N) malý odpor kanálu vyvolání injekce děr z přechodu P+N

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

26 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

27 Unipolární tranzistor popis pomocí matice Y y 11 vstupní admitance y 12 zpětná převodní vodivost y 21 převodní vodivost (strmost) aktivní činnost součástky y 22 výstupní admitance i i i i G D G D = = y y = u u [ ] GS Y u u GS GS + + DS y y u u DS DS i = GS G G y 11 = ( uds = 0) 12 ( u = 0) ugs uds i D D y 21 = ( uds = 0) 22 ( u = 0) ugs uds y y i i = GS

28 Unipolární tranzistor - kapacita setrvačnost FETů C > C > GD závislost na době průchodu náboje kanálem (kanál co nejkratší) mezielektrodové kapacity (jednotky pf) dvojice soustředěných kapacit C GS a C GD C GD musí být co nejmenší GS C DS

29 Unipolární tranzistor - spínání vliv kapacit oblast A nevodivý stav U 1 <U P (prahové napětí) oblast B aktivní oblast (přechází do stavu sepnutí) oblast C stav sepnutí τ B τ i A = R [ C + C ( SR )] = R 1+ GS i C GS GD Z τ C i ( C C ) = R + GS GD SR z zesílení vázané na Millerovu kapacitu prodloužení intervalů τ B

30 Zapojení unipolárního tranzistoru nastavení pracovního bodu nutné znát průběh výstupních charakteristik graficko-početní metoda pro určení hodnot součástek

31 Nastavení pracovního bodu

32 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

33 Unipolární tranzistory

34 Děkuji za pozornost