Вольтамперные характеристики ПТИЗ

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что принцип действия ПТИЗ основан на э ффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля, создаваемого потенциалом затвора, изолированного от кристалла слоем окисла.

Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 4.5, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.

Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. U _зи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения U _си на стоке (рис. 4.5, б) выходной ток I _с растет почти линейно от нуля до точки 1 (² омическая зона ² ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.

По мере увеличения напряжения рост тока I _с практически прекращается (точка 2) – при напряжении U _си.нас достигается насыщение тока (геометрическое место точек U _си.нас представлено пунктиром). Наступает так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения U _си.

Причина дальнейшего ограничения тока I _с связана с перекрытием канала в области стока. В самом деле, как и в случае с транзистором с управляющим p-n- переходом (см. п. 4.1.2) точки канала не эквипотенциальны. Если, например, на стоке j_с = 10 В, то в центре канала j = 5 В, в то время как потенциал истока равен нулю j_и = 0 В, т.к. исток заземлен. Следовательно, по отношению к подложке, которая заземлена, все точки канала находятся под различным потенциалом! А раз так, то протяженный p-n -переход ²канал-подложка², находящийся под различным напряжением, имеет различную ширину l (U) в разных точках. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n -переход внедряется в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток U _си (рис. 4.5, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока I _с растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n -перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Допустим, транзистор находится в режиме работы между точками 2 и 3 (рис. 4.5, б: U _зи = 0, U _си = 10 B, I _с = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал j_з <0 (U _зи < 0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n -канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n -канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n -канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении U _си ток стока I _с уменьшается (рис. 4.5, б, в).

Вследствие этого серия стоковых характеристик при U _зи<0 располагаются ниже кривой, соответствующей U _зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n -типа), называют режимом обеднения канала.

При подаче на затвор З напряжения U _зи > 0 электростатический заряд ²+² затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р -типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n -канала возрастает, и при фиксированном напряжении U _си ток I _с увеличивается. Поэтому при U _зи > 0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U _зи = 0 (рис. 4.5, б).

Семейство (серия) стоковых характеристик полевого транзистора со встроенным каналом n -типа показано на рис. 4.5, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Различие заключается в том, что для МДП-транзистора входное напряжение U _зи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Стоко-затворные характеристики транзистора со встроенным каналом приведены на рис. 4.5, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n -переходом (рис. 4.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при U _зи< 0 (режим обеднения), так и при U _зи> 0 (режим обогащения).

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа приведены на рис. 4.6, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока I _с осуществляется входным напряжением U _зи полярности, совпадающей с полярностью U _си. Заметим, что управление транзистором возможно только после того, как сформирован канал соответствующего типа проводимости, в частности, при U _зи > 3 B.

Вид стоко-затворных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа приведен на рис. 4.6, в. Особенности данных характеристик могут быть проанализированы самостоятельно.

4.3. Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ- IGBT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ выполнен как прибор с единой структурой, сочетающий в себе полевой транзистор c изолированным затвором (ПТИЗ) и биполярный n-p-n- транзистор (БТ) [22]. Имеется много способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых объединены достоинства полевого транзистора (с так называемым вертикальным каналом) и биполярного транзистора.