Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Лекции по твердотельной электронике

Московский энергетический институт

(технический университет)

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Конспект лекций

Москва, 2002 г.

Содержание

TOC \o "1-3" \h \z Лекция 1. 4

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 4

1.1. Электропроводность полупроводников. 4

Лекция 2. 9

1.2. Электроны в кристалле. 9

1.2.1. Энергетические зоны. Свободные носители зарядов:а электроны и дырки. 9

1.2.3. Легирование кристаллов донорной или акцепторной примесью, полупроводники "n" и "p" типа. 22

Лекция 3. 27

1.2.4. Расчет концентрации носителей заряда в кристалле. 27

Лекция 4. 39

1.2.5. Зависимость скорости электрона от напряженности электрического поля. Понятия эффективной массы и подвижности. 39

1.2.6. Расчет электропроводности полупроводниковых кристаллов на основе рассмотренных моделей. 47

Лекция 5. 55

1.2.7. Неравновесные электроны и дырки. Рекомбинация неравновесных носителей заряда. 55

Диффузионный и дрейфовый токи. 58

1.2.8. равнение непрерывности. 60

Следует обратить внимание на тот факт, что при величении концентрации примеси на 9 поря дков, проводимость образца возрастает на 8 поря дков, т.е. существует почти линейная зависимость между проводимостью и концентрацией примеси.

Легирование влия ет не только на величину электропроводности, но и на ее температурную зависимость, что демонстрируют кривые, приведенные н рис. 3.4. Как видно из графиков в области высоких температур электропроводность легированного материала стремится к электропроводности нелегированного. В области низких температур проводимость изменя ется незначительно, имея слабо выраженный максимум. Для сильно легированных кристаллов проводимость изменя ется с температурой подобно проводимости металлов.

Рис. 1.4. Температурная зависимость электропроводности легированных кристаллов, степень легирования в см-3 проставлена около соответствующих кривых, пунктирная линия соответствует нелегированному материалу.

Поскольку для создания полупроводниковых приборов с заданными характеристиками необходимо объя снить наблюдаемые особенности полупроводниковых материалов, научиться ими правля ть и заранее прогнозировать поведение материала в тех или иных словия х, то необходимо создать модель описывающую процессы электропроводности полупроводников. Эта модель в первом приближении должна объя сня ть:

        экспоненциальный рост проводимости с температурой для нелегированных материалов;

        изменение проводимости и ее температурной зависимости при легировании полупроводников;

        изменение проводимости и ее температурной зависимости при облучении полупроводников светом, бомбардировке высокоэнергетическими частицами и т.п.

По определению электропроводность характеризует изменение протекающего через образец тока при изменении приложенного к нему напря жения . В свою очередь величина электрического тока характеризуется количеством заря да переносимого через поверхность в единицу времени, т.е. для его характеристики необходимо знать концентрацию и скорость способных перемещаться заря дов. Таким образом приступая к изучению твердотельной электроники прежде всего необходимо рассмотреть процессы, которые приводя т к поя влению в однородном образце свободных носителей заря да и то как внешнее электрическое поле влия ет на скорость их перемещения .

Контрольные вопросы.

1.     Каково соотношение значений проводимости для проводников, полупроводников и диэлектриков?

1.     Каково соотношение значений дельного сопротивления для проводников, полупроводников и диэлектриков?

2.     Как экспериментально определить к какому классу материалов относится образец: к полупроводникам или металлам?

3.     По какому закону изменя ется с температурой электропроводность чистых (собственных полупроводников)?

4.     Как влия ет введение примесей на величину и температурную зависимость электропроводности полупроводников?

Содержание

TOC \o "1-3" \h \z Лекция 6 68

2. ДИОДЫ. 68

2.1. Полупроводниковые диоды с электронно-дырочным переходом (pn - переходом). 68

2.2. Электронно-дырочный переход (pn - переход). Возникновение потенциального барьера. Контактная разность потенциалов............................................................................................................... 72

Лекция 7 81

2.3. Вольтамперная характеристика pn перехода................................................................. 81

2.4. Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на ВАХ pn перехода........... 95

Лекция 8 96

2.5. Барьерная емкость pn перехода........................................................................................ 96

2.6. Диффузионная емкость pn перехода.............................................................................. 101

Лекция 9 105

2.7. Переходные процессы..................................................................................................... 105

2.6. Пробой pn перехода......................................................................................................... 114

Рис. 2.9. Зависимость контактной разности pn перехода от температуры при разном уровне легирования областей (Si - кривая 1: N_dN_a=10³² , кривая 2: NdNa=10²⁸)

Еще раз остановимся на физической природе я влений, приводя щих к возникновению на границе между p и n областя ми потенциального барьера. Если бы между p и n областя ми не было контакта, то каждая из них была бы электронейтральна, при этом соблюдались бы следующие словия : p_p = Na^-, n_n = Nd⁺. При наличии между p и n областя ми контакта свободные электроны будут ходить из n области в соседнюю, оставля я вблизи границы в n области нескомпенсированный заря д положительных доноров - Nd⁺. Свободные дырки будут ходить из p области в соседнюю, оставля я вблизи гранцы в p области нескомпенсированный заря д отрицательных акцепторов - Na^-. Поскольку доноры и акцепторы свя заны с решеткой возникший двойной слой заря да так же встроен в решетку и не может перемещаться . При этом в области пространственного заря да (ОПЗ) возникает электрическое поле, направленное от n области к p области, препя тствующее переходу основных носителей через границу областей. Чем больше переходит основных носителей, тем больше в нескомпенсированный заря д в ОПЗ, тем выше энергетический барьер, препя тствующий переходу. Равновесие наступает при некотором соотношении между высотой барьера и концентрацией носителей заря да, которое описывается (2.3). При этом следует отметить, что в самой барьерной области (области пространственного заря да) концентрация носителей мала (она близка к собственной), поскольку все попадающие в ОПЗ носители выбрасываются из этой области электрически полем. Поэтому область пространственного заря да обладает проводимостью на несколько поря дков меньшей, чем легированные p и n области. В дальнейшем будем считать, что сопротивление областей вне ОПЗ на несколько поря дков меньше, чем сопротивление ОПЗ и если к полупроводниковой структуре с pn переходом приложено внешнее напря жение, то оно падает, в основном на ОПЗ, в прилегающих к переходу p и n областя х электрического поля практически нет (при построении модели происходя щих процессов мы будем им пренебрегать).

Внимательно пронализировав диаграммы рис. 2.1 и 2.2 можно еще раз убедиться , что направление контактного электрического поля (Еконт) таково, что оно препя тствует диффузии в соседнюю область основных носителей заря да и способствует переходу неосновных. Именно эта асимметрия потенциального барьера по отношению к носителя м различного типа в конечном счете и приводит к асимметрии вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода относительно поля рности внешнего напря жения . Поскольку при одной поля рности внешнего напря жения поле внешней батареи будет складываться с внутренним полем Еконт, величивая барьер, при другом вычитаться , уменьшая барьер.

3.1. Принцип работы............................................................................................................ 126

Лекция 12а 133

3.2. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора............... 133

Лекция 13а 147

3.4. Количественный анализ процессов в биполярном транзисторе.............................. 147

Лекция 14а 153

3.5. Влияние конструктивно технологических характеристик транзистора на параметры эквивалентной схемы...................................................................................................................................... 153

4.5.1. Коэффициент передачи по току......................................................................... 153

4.5.4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода - r_к.................. 158

Лекция 15а 161

3.6. Частотные характеристики биполярного транзистора.............................................. 161

3.6.1. Зависимость коэффициента передачи тока от частоты в схеме с общей базой [α(ω)]. 161

3.6.2. Зависимость коэффициента передачи тока от частоты в схеме с общим эмиттером [β(ω)].............................................................................................................................................. 163

Рис. 67 Рабочие точки на нагрузочной характеристике (активная нагрузка) при работе транзистора в режиме переключения .

К достоинствам режима переключения относится то, что во включенном и выключенном состоя нии мощность рассеиваемая на транзисторе может быть существенно меньше, чем мощность рассеиваемая в нагрузке и таким образом он может коммутировать мощность превосходя щую предельно допустимую мощность рассевания самого транзистора (см. рис. 67). Помимо статической в транзисторе может рассеиваться значительная динамическая мощность во время включения и выключения транзистора, причем при большой частоте коммутаций эта мощность может превосходить мощность, рассеиваемую в статическом режиме, поэтому желательно, чтобы время включения и выключения (в течение которого рассеивается динамическая мощность) было как можно меньше. На рис. 68 показаны соответствующие экспериментальным результатам диаграммы токов транзистора, при различных значения х амплитуды входных импульсов.

Рис. 67. Форма импульсов токов транзистора, при его работе в импульсном режиме

В представленных на рис. 67 диаграммаха кривые 1 соответствуют силительному режиму для которого выполня ется условие Iк = βIб, кривые 2, 3, 4 соответствуют случая м, когда во включенном состоя нии транзистор находится в режим насыщения в котором для тока коллектора справедливо Iк ≤а βIб. Для характеристики глубины насыщения вводя т коэффициент насыщения S = Iк/ Iкн, где Iкн = βIбн соответствует границе насыщения . Как видно из графиков, чем глубже заходит транзистор в область насыщения (чем больше S), тем меньше время включения и больше время рассасывания заря да (полочка предшествующая спаду тока) и соответственно время выключения .

4.7.2. Расчет времени включения

Для анализа переходных процессов при работе транзистора в ключевом режиме можно воспользоваться законом сохранения заря да:

(4_115)

Помножим левую и правую части этого равнения на q и проинтегрируем по объему базы. Получим, что изменение суммарного, накопленного в результате инжекции в базу заря да изменя ется в результате рекомбинации этого заря да и протекающего через базу тока:

(4_116)

Решением этого неоднородного равнения первого поря дка будет сумма общего решения однородного равнения (Qp = Ae^-t/τp₎ и частного решения неоднородного:

(4_117)

То, что Q = J_pτ_p я вля ется частным решением можно юедиться подставив эту величину в (4_116). Для нахождения А воспользуемся тем, что до подачи входного импульса заря д в базе отсутствовал: Q(0) = 0. Тогда получим, что A= J_pτ_p аи соответственно:

(4_118)

Чтобы записать выражение для тока чтем, что Q(t) = J_кτ_αа β = τ_p/ τ_α, тогда используя эти соотношения из (4_118) получим:

(4_119)

Используя (4_119) можем определить время t_ф в течение которого достигается заданный ток Jкн ~ Eк/Rк (в режиме насыщения S > 1):

(4_120)

Как видно из этого равнения с ростом тока базы (при величении S) для насыщенного во включенном состоя нии транзистора время включения меньшается .

4.7.3. Расчет времени рассасывания

Предположим, что транзистор работает в ключевом режиме при правля ющем токе показанном на рис. 68.

Рис. 68. Диаграмма переключающего сигнала

Уравнение, описывающее накопление заря да в базе транзистора, запишется в виде:

(4_121)

Начальное значение равно заря ду, накопленному в базе транзистора за время , в течение которого он находился при пря мом смещении, т.е. при t = 0, Q = J_бτ_p. Решением, так же как и в предыдущем случае будет сумма общего решения однородного равнения (Qp = Ae^-t/τp₎ и частного решения неоднородного т.е.:

(4_122)

Используя начальное словие определим величину неизвестной константы в (4_117) и запишем решение:

(4_123)

Обозначим через t_s время задержки спада тока после прекращения пря мого имульса, это время обусловлено рассасыванием избыточного относительно равновесного заря да дырок около коллектора. В момент t = t_s концентрация дырок около коллекторного перехода становится равной равновесной: p_n(w) = p_n0, Uкб = U_Tln[p_n(w)/p_n0] = U_Tln[p_n0/p_n0] = 0, при этом ток коллектора соответствует граничному Jкн (при активной нагрузке Jкн ~ Ек/Rк), соответствующее значение базового тока Jбн=Jкн/β и заря д в базе Q(t_s)= J_бнτ_p. Подставив эти значения в (4_118) получим:

(4_124)

Допустим, что выключение транзистора происходит при J_б1 = 0, тогда:

(4_125)

т.е. чем глубже транзистор находится в насыщении (больше коэффициент насыщения S), тем больше время рассасывания t_s, и соответственно длиннее ступенька (см. кривые 3, 4 на рис. 67).

Рис. 69. Зависимость времени рассасывания при выключении от степени насыщения

Лекция 19

6.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП)

6.2. 1. Свойства МДП структуры.

В основе работы полевыха транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП структуры (рис. 81 ).

Рис. 81. Пример МДП структуры

По существу эта структура представля ет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заря д может быть свя зан с носителя ми разной физической природы и разной поля рности: свободными электронами и дырками, заря женными положительно ионизованными донорами, заря женными отрицательно ионизованными акцепторами, так же заря женными дефектами. В МДП структуре в отличие от pn перехода существует гетерограница разделя ющая две среды с различной структурой это, например, граница разделя ющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных свя зей стремя щихся захватить заря д из объема полупроводника, так же свя зей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик же в начальном состоя нии может находиться некоторый заря д, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заря д в объеме полупроводника. На рис. 82 показана схема поверхности частично пассивированной радикалами ОН и атомами О, а так же соответствующие поверхностным дефектам поверхностные энергетические состоя ния , дающие дополнительные ровни в запрещенной зоне, которые локализованы вблизи поверхности. ЩР

Рис. 82. Диаграмма, поя сня ющая возникновение поверхностных состоя ний на границе кристалла.

Если заря дить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен поя виться заря д равный по величине и противоположный по знаку, который будет свя зан с поверхностными состоя ния ми, ионизованными атомами примеси и свободными носителя ми заря да. Если индуцированный внешним полем заря д на полупроводниковой обкладке превышает изменение заря да на поверхностных состоя ния х, то ва приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заря да, что сопровождается а изменением поверхностной проводимости (см. рис. 83) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 83.

Рис. 83. Изменение поверхностной проводимости полупроводнка в МДП структуре: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

В той приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле имеется обедненная носителя ми область пространственного заря да, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменя ться заря да ОЗа и соответственно ширин обедненной области. При этом будет изменя ться емкость МДП структуры. Зависимости емкости МДП структур от напря жения показаны на рис. 84. Емкость МДП структуры можно рассматривать как состоя щую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - Сд и емкости слоя пространственного заря да в полупроводнике Спп.

(6_13)

Если Сд>> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определя ется емкость ОПЗ, т.е. С = Спп.

Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 84 ограничено линией С = Сд.

Рис. 84. Изменение емкости МДП структур от напря жения на затворе: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 83а и рис. 84 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда величение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками меньшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области.

Рис. 84. Энергетические диаграммы приповерхностной полупроводниковой области n - типа при различных значения х напря жения на МДП структуре (см. рис. 82 и 83): т. А - начальное состоя ние (Uз_A = 0), т. B - обеднение (Uз_B <а 0), т. C инверсия (Uз_C < Uз_B < 0), т. D обогащение (Uз_D.>0)

На рис. 84 показаны энергетические диаграммы МДП структуры при раличных значения х потенциала Uз. В качестве примера выбран материал n типа. Точка A соответствует случаю нулевого потенциала затвора. Поскольку материал n типа ровень Ферми находится в верхней половине запрещенной зоны и для концентрации электронов в глубине материала можно записать (через собственную концентрацию n_i):

(6_14)

где φ_о = 1/q(E_i - F) При записи (6_14) считалось, что в собственном полупроводнике ровень Ферми находится при Eiв (примерно в середине запрещенной зоны). На рис. 84 для точки A вблизи поверхности наблюдается искривление зон (и соответственно Ei), что свидетельствует о наличии поверхностного потенциала φ_s = 1/q(Eis - F) заря да захваченного поверхностными состоя ния ми (Ns). Для поверхностной концентрации электронов n_sа и дырок p_s аналогично как в (6_14) можно записать:

(6_15)

Как видно из рис. 84 для т. А φ_s< φ_о и следовательно вблизи поверхности концентрация электронов ниже, чем в объеме, т.е. существует некоторое начальное обеднение поверхности основными носителя ми заря да.

При подаче на затвор отрицательного потенциал будет происходить дальнейшее обеднение поверхности электронами и при некотором напря жении на структуре (т. B на рис. 84) φ_s станет равным 0. При этом в соответствии с (6_15) для поверхностные концентрации равны: n_s = p_s = n_i. При дальнейшем величении отрицательного заря да на затворе будет иметь дальнейшее искривление зон и φ_s изменя ет знак, при этом (см. 6_15) p_s> n_s > n_i и n_s < n_i, т.е. на поверхности происходит изменение типа проводимости - инверсия знака носителей на поверхности относительно объем (т. C на рис. 84). И чем больше отрицательный заря д на затворе, тем больше дырочная проводимость на поверхности.) Напря жение на затворе, приводя щее к инверсии проводимости, приня то называть пороговым (Uп), если |φ_s| = 2(Ec - F).

Если на затвор подать положительное напря жение величина φ_s возрастает соответственно (см. 6_15) концентрация электронов величивается . Действительно электрическое поле вблизи поверхности будет притя гивать электроны и отталкивать дырки (их концентрации меньшается ). Когда поверхность обогащается основными свободными электронами или дырками (в случае инверсии) ширина ОПЗ стремится к нулю и емкость структуры определя ется только толщиной диэлектрика. В этом случае обогащенная свободными носителя ми поверхность полупроводника ведет себя подобно поверхности металла.

Лекция 20 6.2. 2. МДП транзисторы.

В основе работы МДП транзистора лежит рассмотренный в предыдущем параграфе эффект правления поверхностной проводимостью и поверхностным током с помощью затвора. Для того, чтобы обеспечить прохождение правля емого тока под затвором создают две электродные области: исток и сток. На рис. 85 показана конструкция МДП транзистора с индуцированным n каналом, схема его включение и графическое обозначение.

Рис. 85. МДП транзистор с индуцированным n каналом.

Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материал базового кристалла. Таким образом при отсутствии напря жения на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода и соответственно ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в закрытом состоя нии. Для того, чтобы транзистор открылся на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n типа, образующая канал соединя ющий n⁺ области исток и стока, встречно включенные pn переходы исчезают и в стоковой цепи начинает протекать ток. Напря жение затвора при котором происходит инверсия проводимости подзатворной области и начинает протекать ток называют пороговым (Uп). Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заря да и соответственно больше проводимость индуцированного канала. При работе транзистора в силительном режиме поля рность напря жения на стоке относительно истока задается такой, чтобы основные носители дрейфовали к стоку на сток подается напря жение такой поля рности. Поля рность напря жений подаваемых на электроды МДП с индуцированными n и p каналами при их работе в усилительном режиме противоположна. Для n канального транзистора на затвор подается плюс относительно истока, на p канальный транзистор минус. За сток принимается тот электрод к кторому дрейфуют основные носители, т.е. в p канальном транзисторе сток должен быть отрицательным относительно истока и в n канальном положительным (см. рис. 85).

Рис. 86. Вольта мерные характеристики МДП транзистора: выходные (слева) и передаточные (справа)

На рис. 86 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП транзистора. Получим аналитическое выражение, позволя ющее их описать, при этом сделаем следующие основные допущения :

одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению канала постоя нны,

на поверхности выполня ется условие сильной инверсии (Uз > Uп),

заря д на поверхностных состоя ния х постоя нен и не зависит от изгиба зон,

дрейфовые токи значительно больше диффузионных и последними можно пренебречь

подвижность носителей заря да в канале постоя нна.

Будем считать, что ось х направлена вдоль канала (рис. 85). Для индуцированного в канале заря да Qi можно записать:

Qi = - C_d[Uз-Uп-U(x)], (6_16)

где U(x) - потенциал в т.х канала. Для наведенной поверхностной проводимости обусловленной заря дом индуцированным заря дом затвора справедливо:

σ_i = qμ_nn_i = - μ_nC_d[Uз-Uп-U(x)] ( 6_17)

Плотность тока в канале:

J_i = σ_iE(x), (6_18)

где E(x) = -dU/dx тогда используя (6_17) и (6_18) для ток стока запишем :

Icа = J_iW = σ_iE(x) W= Wμ_nC_d [Uз-Uп-U] dU/dx, (6_19)

где W - ширина канала. Проинтегрируем (6_19) вдоль канала:

(6_20)

Откуда получим:

Ic = Wμ_nC_d /d[(Uз-Uп)Uс-1/2U_c²] (6_21)

При величении напря жения на стоке потенциал U(L) = Uс стремится к Uз и при некотором Uс = Uсo инверсия вблизи стока исчезает, канал перекрывется и заря д в канале становится равным нулю. Дальнейшее величение напря жения на стоке не будет приводить к возрастанию тока стока, поскольку все приращение напря жения будет осуществля ться за счет на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала, таким образом при Uз > Uсо исток-стоковая вольтамперная характеристик будет переходить из крутой области в пологу. Значение Uсо =0 найдем из следующего словия :

Qi(L) = 0 = -C_d (Uз-Uп-Uco] (6_22)

Откуда Uco = Uз - Uп. Подставим это значение Uco вместо Uc в (6_21) и найдем выражение дл выходных вольтамперных характеристик МДП транзистора в пологой области.

(6_23)

Это выражение описывает передаточную характеристику для МДП транзистора (см. правый график на рис. 86). Используя (6_23) для получим :

(6_24)

Соответствующий график для зависимости крутизны от напря жения на затворе приведен на рис. 87.

Рис. 87. Зависимость крутизны МДП транзистора с индуцированным напря жение от напря жения на затворе.

Канал между истоком и стоком можно создать технологическим путем на стадии изготовления МДП транзистора (например вводя соответствующую примесь), такие транзисторы называют транзисторами с встроенным каналом. При подаче напря жения на затвор концентрация носителей в канале будет либо возрастать либо меньшаться вплоть до полного исчезновения канала и перехода транзистора в запертое (выключенное) состоя ние, в которома выходные токи будут определя ться обратными характеристиками исток-стоковых pn переходов.

Рис. 88. Графическое обозначение МДП транзистора с встроенным каналом и его вольтамперные характеристики: выходные (слева) и передаточные (справа)

Влия ние подложки на характеристики МДП транзистора.

Рассмотрим влия ние подложки на характеристики МДП транзистора.

Рис. 89. Включение МДП транзистора с правлением по подложке

Если подложка имеет положительный потенциал относительно стока, как это показано на рис. 89, то этот потенциал будет поднимать потенциал канала, что будет приводить к уменьшению разности потенциалов между затвором и каналом и соответственно будет уменьшаться заря д индуцированный в канале и проводимость канала. Поэтому потенциал подложки подобно потенциалу затвора может правля ть проводимостью канала, однако отличие будет заключаться в том, что если увеличение положительного потенциала на затворе будет величивать ток стока, то увеличение положительного потенциала на подложке будет приводить к меньшению тока стока. С четом этого замечания формулу (6_21) для области крутой ВАХ транзистора можно переписать в следующем виде:

Ic = Wμ_nC_d /{2d[(Uз-Uп-kUподл)Uс-1/2U_c²]}, (6_25)

где коэффициент k зависит от конструктивных особенностей транзистора. В пологой области ВАХ транзистора с четом влия ния подложки, после подстановки в (6_25) Uс = Uс - Uп примут вид :

(6_26)

Усилительные свойства МДП транзистора будут характеризоваться крутизной по подложке:

(6_27)

Рис. 90. Эквивалентная схема МДП транзистора

Эквивалентная схема МДП транзистора, учитывающая возможность правления а по подложке показана на рис. 88

Лекция 21

6.2.3. Биполя рные транзисторы с изолированным затвором

Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства полевого и биполя рного транзистора привели к созданию комбинированного прибора - биполя рного транзистора с изолированным затвором, в технической литературе его называют IGBT (от англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое распространение в силовой электронике благодаря тому, что он позволя ет с высокой скоростью коммутировать большие токи.

Рис. 91. Обозначение биполя рного транзистора с изолированной базой (IGBT)

Обозначение IGBT показано на рис.91. Как видно из обозначения вход IGBT подобен МДП - транзистору, т.е. это прибор правля емый потенциалом. Выход подобен выходу биполя рного транзистора, т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же как у биполя рного транзистора.Несмотря на то, что IGBT я вля ется единой монолитной кристаллической структурой, по существу это функциональное силительное стройство, которое может быть представлено в виде схемы показанной на следующем рисунке., как видно из схемы, коллекторный ток биполя рного транзистора Т₂ поступает на вход биполя рного транзистора Т₃, и часть коллекторного тока Т₃ поступает на вход Т₂. С выхода которого ток опя ть поступает на вход Т₃. Таким образом между двумя выходными биполя рными транзисторами имеется положительная обратная свя зь.

Рис. 92. Эквивалентная схема IGBT

Для токов транзисторов можно записать: i_C1=SU_З, где S - крутизна T₁; i_К2= α₂ i_Э2 и i_К3= α₃ i_Э3, где α _i - коэффициенты передачи тока биполя рных транзисторов.
Для общего тока эмиттера можно записать i_Э=i_К2+i_К3+i_С. Откуд i_С = i_Э (Цα₂Цα₃). Так как i_Э=i_К, то для выходного тока IGBT, равного коллекторному току T3 из предыдущего соотношения получим:

i_к=SU_ЗЭ/[(Цα₂-α₃)]=S_ЭКВU_ЗЭКВU_З.

Соответственно для эффективной крутизны S_ЭКВ, равной отношению изменения выходного тока IGBT к изменению входного напря жения затвора можно записать S_ЭКВ=S/[[1 - (α2+α3)]. Как видно из этого соотношения правля я значения ми α₁ и α₂ возможно получить весьма высокую величину эффективной крутизны.

---

 [ДОМ1]Проверить корректность графиков Здесь наверное несколько ошибок Особенно точки!!!!