1

9.11.Spojni tranzistor sa efektom polja (JFET) Drugi tip tranzistora sa efektom polja se formira bez upotrebe izolatora u vidu SiO2, samo koristeći pn spojeve, kako je pokazano na slici 9.14 a). Ovaj uređaj, spojni

tranzistor sa efektom polja (Junction Field-Effect Transistor-JFET), sastoji se od jednog bloka n tip poluvodiča i dva pn spoja koji formiraju vrata.

Slika 9.14. a) Osnovni n kanalni JFET b) simboli za JFET

U n-kanalnom JFET-u struja opet ulazi u oblast kanala na odvodu i izlazi kroz izvor. Otpor kanala je upravljiv promjenom širine kanala preko modulacije širine osiromašenog sloja, kojim je okružen pn spoj između vrata i kanala. U svojoj linearnoj oblasti karakteristika, JFET može biti zamišljen jednostavno kao naponom upravljan otpor, sa otporom kanala koji se definira kao:

W

L

tRCH

ρ= (9.29)

gdje je: ρ - specifični otpor oblasti kanala L- dužina kanala W- širina kanala između dvije osiromašene oblasti pn spojeva t - dubina kanala Kada se priključi napon između izvora i odvoda, otpor kanala određuje struju koja će poteći između odvoda i izvora (Ohmov zakon). A) Razmotrićemo ponašanje JFET-a, u zavisnosti od iznosa napona polarizacije vrata i pri nultoj polarizaciji izvor - odvod, što je prikazano na slikama 9.15 a), b) i c). Ovo će biti komentirano.

2

Slika 9.15 a) JFET sa nultom polarizacijom vrata (uGS=0), b) JFET sa negativnom polarizacijom vrata: (Vp<uGS<0); c) kanal JFET-a je „zgnječen“ sa (uGS =Vp) Slika 9.15 a) I bez naponske polarizacije vrata, između izvora i odvoda postoji vodljivi kanal. Slika 9.15 b) Dovođenjem napona koji inverzno polarizira diodu vrata-izvor (uGS<0), doći će do proširivanja osiromašenog sloja, i do smanjenja širine kanala i smanjenja struje.

3

Tako se JFET ponaša kao tranzistor u smanjujućem režimu. Da bi se JFET doveo u stanje kočenja (OFF), na vrata mora biti doveden dovoljno veliki negativni napon. U ovom slučaju povećava se širina osiromašenog sloja, čime se povećava otpor kanala. Širina kanala je sada smanjena na iznos W´<W. Pošto je spoj vrata-izvor inverzno polariziran, struja vrata je jednaka inverznoj struji pn spoja, uobičajeno vrlo male vrijednosti, i usvojiće se da je iG~0. Za veće vrijednosti napona uGS, širina kanala nastavlja da se smanjuje, povećavajući otpor u oblasti kanala. Slika 9.15 c) Kada ovaj negativni napon uGS dostigne vrijednost napona „gnječenja“(VP), vodljivi kanal je potpuno isčezao. Kanal postaje „zgnječen“, onda kada osiromašena oblast s obje strane pn spojeva dođe do sredine kanala. U tom momentu otpornost kanala postaje beskonačno velika. Dalje povećanje negativnog napona ne mijenja stanje tranzistora ali iznos ovoga napona ne smije preći Zenerov probojni napon. NAPOMENA: Polarizacija naponskog izvora uGS je na slikama 9.15 i 9.16 odabrana isto kao i polarizacija kod MOSFET-a kako bi se iskoristile jednačine izvedene u poglavlju 9.4, mada je za pravilan rad JFET-a potrebno da je uGS<0. Ovo podrazumijeva, kod računske primjene, da se u pomenute jednačine vrijednosti napona uGS unose sa negativnim predznakom. B) Polarizacijom odvoda (u odnosu na izvor) pozitivnim naponom uDS

[slika 9.16 a), b) i c)], uz fiksni napon uGS (uGS<0), postižu se sljedeći efekti: Slika 9.16 a) Za male vrijednosti napona uDS, otporni kanal povezuje izvor i odvod; JFET radi u svojoj linearnoj oblasti i struja odvoda zavisi od napona uDS. Pri usvojenoj vrijednosti struje vrata iG~0, struja koja ulazi na odvod mora izaći na izvor, isto kao kod MOSFET-a. Primjećuje se da je inverzna polarizacija spoj vrata-kanal veća na kraju kanala uz odvod, pa je osiromašena oblast šira na dijelu uz odvod, nego na dijelu uz izvor. Slika 9.16 b) Za veće vrijednosti napona uDS, osiromašena oblast na odvodu postaje još šira dok se kanal ne „zgnječi“, odnosno zatvori u blizini odvoda. Kada kanal jednom uđe u neprovodno stanje, struja odvoda odlazi u zasićenje, kao i kod MOSFET-a. Elektroni se ubacuju u osiromašenu oblast i putuju ka odvodu pod uticajem električnog polja. Slika 9.16 c) Za vrlo velike iznose napona uDS tačka „gnječenja“ se pomjera prema izvoru, skraćujući dužinu otpornog kanala, čime se postiže modulacija dužine kanala na isti način kao i kod MOSFET-a.

4

Slika 9.16 a) JFET sa malim naponom između odvoda i izvora uDS>0, b) JFET sa upravo„zgnječenim“kanalom sa uDS =uDSP c) kanal JFET-a je „zgnječen“ sa uDS >uDSP Mada je struktura JFET-a značajno različita od strukture MOSFET-a, njihove i-u karakteristike su praktično iste. Zato se jednačine za JFET neće izvoditi.

5

Međutim, mada matematički iste, jednačine za JFET se obično pišu u nešto drukčijem obliku od onih za MOSFET. Ovdje će to biti izvedeno, polazeći od izraza za oblast zasićenja karakteristika MOSFET-a, gdje će napon praga VTN biti zamjenjen sa naponom „gnječenja“ (VP):

[ ]

AIA

VVV

za

VuuzaV

uIi

VK

I

V

uV

KVu

Ki

DSS

P

PGSDS

P

GSDSSDS

Pn

DSS

P

GSP

nPGS

nDS

10010

0;25

(*)0)()1(

)(2

)1()(2

)(2

5

2

2

222

≤≤

⇒−

≥−≥−=

−=

−−=−=

−

⇒

(9.30)

U prethodne jednačine se može, kao i kod MOSFET-a, uključiti koeficijent modulacije λ. Linearna oblast rada JFET-a, na izlaznoj karakteristici, vrijedi za uvjete

)( PGSDS Vuu −≤ . Može se izvesti izraz za struju odvoda, na osnovu jednačina za MOSFET u linearnoj oblasti rada (jednačina 9.8), zamjenom vrijednosti Kn (preko IDSS iz 9.30) i VNT sa VP:

PGSPGSDS

DSDS

PGS

P

DSSDS

VuiVuu

zauu

VuV

Ii

≥−≤

−−=

)(

)2

(2

2 (9.31)

Jednačine (9.30 (*)) i (9.31) predstavljaju matematički model n-kanalnog JFET-a. Izlazne karakteristike JFET-a, prikazane su na slici 9.17

6

Slika 9.17 Izlazne karakteristike JFET-a, pri IDSS=200µA i Vp=-4V.

P-kanalna verzija JFET-a se proizvodi sa zamijenjenim oblastima n i p tipa. Kao i kod MOSFET-a, smjer struje odvoda u p kanalnom uređaju je suprotan u odnosu na struju u n-kanalnom uređaju. Općenito struktura JFET-a ima unutrašnju simetriju, kao što je to bio slučaj i kod MOSFET-a. Napon VP ne zavisi od napona na izvodima. Ponašanje JFET-a je najbliže ponašanju MOSFET-a u smanjujućem režimu i JFET je polariziran kao MOSFET u smanjujućem režimu. Zato, konstruktori krugova sa JFET-om moraju osigurati da dioda vrata-kanal bude inverzno polarizirana. Međutim, u nekim poluvodičkim krugovima, koristi se direktna polarizacija diode vrata. Tako, direktno provođenje diode vrata je iskorišteno za stabilizaciju amplitude u oscilatornim kolima. Kapaciteti vrata-izvor i vrata-odvod JFET-a su određeni kapacitetom osiromašenog sloja u inverznoj polarizaciji pn spoja koji formira vrata tranzistora, slično kako je to razmotreno kod dioda. 9.12. Poređenje MOSFET-a. JFET-a i bipolarnog tranzistora (BT-a)

7

MOSFET-ovi imaju između vrata i podloge ubačen sloj silicijumskog dioksida, koji predstavlja vrlo kvalitetan izolator. Napon na vratima upravlja koncentacijom nosilaca naboja kroz kanal, koji se formira između izvora i odvoda. Spoj izvora je uvijek konstrukcijom spojen za podlogu (dioda izvora je bez polarizacije) a spoj odvoda sa podlogom mora biti stalno inverzno polariziran, da bi „odvojio“ kanal od podloge. Oni se priozvode u dvije verzije sa oba tipa kanala (n i p kanalom). Kod povećavajućeg tipa, napon između vrata i izvora mora biti veći od napona praga da se uspostavi provodni kanal između izvora i odvoda. Kod smanjujućeg tipa, kanal je ugrađen u tranzistor tokom prioizvodnje i tranzistor vodi i kada nije doveden napon između vrata i podloge. JFET-ovi koriste pn spoj za upravljanje otporom provodnog kanala. Napon između vrata i izvora modulira širinu osiromašene oblasti i time mijenja širinu oblasti kanala. JFET-ovi se mogu priozvoditi sa n ili p tipom kanala, ali zbog svoje strukture, oni rade kao tranzistori smanjujućeg tipa. Mada su MOSFET i JFET različite strukture (a zajednički naziv je FET), njihove i-u karakteristike su vrlo slične i sadrže tri oblasti rada. Kada rade u oblasti kočenja izlaznih karakteristika, provodni kanal više ne postoji i struja kroz izvode je jednaka nula. Kada rade u linearnoj oblasti izlaznih karakteristika, struja odvoda kod FET-a zavisi i od napona vrata-izvor i od napona odvod-izvor tranzistora. Pri malim vrijednostima napona odvod-izvor, tranzistor pokazuje uglavnom linearne odnose između svoje struje odvoda i napona odvod-izvor. Kada radi u linearnoj oblasti izlaznih karakteristika FET se uglavnom koristi kao naponom upravljani otpornik. Zbog takvog ponašanja, ime tranzistor je skraćenica od „transfer resistor“. Kada se vrijednost napona odvod-izvor poveća iznad vrijednosti napona „gnječenja“, struja odvoda FET-a više nije zavisna od napona odvod-izvor. Ona je tada zasićena i FET radi u oblasti zasićenja svojih karakteristika sa strujom koja je približno konstantna. Ako se napravi kratka usporedba FET-ova i bipolarnih tranzistora (BT), može se konstatovati sljedeće: 1. Provođenje struje Kod BT-a u provođenju struje kroz tranzistor učestvuju nosioci naboja oba znaka (elektroni i šupljine). Kod FET-a u provođenju struje kroz tranzistor učestvuju samo nosioci naboja jednog znaka (ili elektroni ili šupljine). 2. Temperaturna osjetljivost FET je manje osjetljiv na promjene temperature od BT-a 3. Ulazni otpor Ulazni otpor FET-a je reda GΩ a kod BT-a je reda stotina Ω. 4. Upravljivost FET je upravljan naponom dok je BT upravljan strujom. 5. Šum Šum koji generira sam tranzistor kod FET-a je manji nego kod BT-a

8

6. Tehnološka izvedba FET se lakše tehnološki prizvodi od BT-a. 9.13. Ostale tranzistorske strukture: MESFET i IGBJ i integrirane strukture CMOS i SOS MOS 9.13.1 MESFET MESFET je struktura koja po svojoj konstrukciji liči MOSFET-u, a po načinu rada je bliža JFET-u. Osnovna razlika u odnosu na MOSFET odnosi se način vezivanja vrata. Izolacion sloj od oksida kod MESFET-a je izostavljen, tako da se metalni sloj vrata nanosi direktno na poluvodič (odatle i naziv MEtal Semiconductor-MES) i na taj način formira Shotky-jevu diodu.

Slika 9.18 a) Struktura MESFET-a i b) njegova i-u karakteristika

Kako kod MESFET-a vrata nisu izolovana, to ga čini različitim od MOSFET-a, a takođe nije upotrebljen pn spoj, što ga čini različitim od JFET-a. Obzirom da nije potrebno da se formira pn spoj, u ovoj komponenti se koristi silicijum ili GaAs (pokretljivost šupljina u GaAs je tako mala da izrada bipolarnih komponenti nije

9

racionalna) kao osnovni materijal (kanal), koji se nanosi na visokootpornu podlogu (za razliku od MOSFET-a). Pri malim poljima GaAs ima znatno veću pokretljivost elektrona, što omogućava dobijanje komponenti sa većom strminom u i-u karakteristici i većom graničnom frekvencijom (vrijeme prolaska od izvora do odvoda). S druge strane visokootporna omska podloga čini manje izraženim parazitne kapacitete prema podlozi, koji su značajni kod MOSFET-a. Na ovaj način se dobijaju komponente, a u zadnje vrijeme i integrirane strukture, čija je gornja granična frekvencija reda GHz. Postoje razlike između silicijumske komponente MESFET-a i MESFET-a izrađenog od GaAS, naročito u slučaju kratkog kanala. Naime, pri priključenju malih napona između izvora i odvoda (bez polarizacije vrata), preko omskih kontakata, silicijumski sloj se ponaša kao linearni otpornik, dok pri većim naponima, brzina struje elektrona ne raste linearno sa poljem, pa je u tom slučaju i-u karakteristika sa znatno blažim nagibom i pri daljem povećanju napona brzo dolazi u zasićenje. Ovo je različito od ponašanja GaAs, koji ima strmiju karakteristiku i znatno kasnije dolazi u zasićenje. Razmotriće se prvo ponašanje tankog Si sloja, koji je omskim kontaktima vezan za izvor i odvod. a) Kada se metalni sloj vrata nanese na površinu od n tipa silicijuma, formira se Shotky-jeva dioda. Ispod vrata nastaje osiromašena oblast, čija dubina zavisi od razlike kontaktnih potencijala metala i silicijuma. Ova osiromašena oblast se ponaša kao izolirajući sloj, i ograničava protok struje kraz n sloj. Ako se uključi napon na vrata, onda se može upravljati potencijalnom barijerom na vratima, a time i strujom kroz takvu komponentu, čime se postiže tranzistorski efekat. b) Kratkim spajanjem vrata za izvor (uGS=0), dolazi do povećanja osiromašene oblasti (zbog polarizacije izvor-odvod, koja pretpostavlja negativan potencijal na izvoru kod n tipa kanala), što ima za posljedicu smanjenje širine kanala, odnosno kanal je tanji. Kako je odvod na višem potencijalu od izvora (pri naponu uGS=0) osiromašena oblast se širi sa strane odvoda. Tamo gdje je kanal tanji, gustina struje je veća, što znači da se u ovom dijelu kanala povećava brzina nosilaca naboja. Dalje povećanje napona na odvodu, dovodi do toga da elektroni dostignu svoju maksimalnu brzinu, upravo ispod kraja koji je bliži odvodu. Kada napon na odvodu dolazi do vrijednosti zasićenja uDS(SAT), širina kanala je na tom dijelu znatno smanjena i izlazna i-u karakteristika ulazi u oblast zasićenja. Daljim povećanjem napona odvoda, osiromašena oblast se širi tako što se pomjera prema izvoru. Ovim se dalje smanjuje širina kanala pa se struja odvoda povećava i dalje. I-u izlazne karakteristike imaju pozitivan nagib, i konačan dinamički otpor i poslije zasićenja. c) Dovođenjem negativnog napona na vrata, dolazi do povećanja osiromašene oblasti. Pri malim naponima uDS , kanal se opet ponaša kao linearni otpornik, ali koji je sada veći nego u slučaju kada je napon vrata bio jednak nula. Stoga se maksimalno polje dostiže prije nego u slučaju uGS=0. Ako bi se prethodno razmatranje primijenilo na materijal od GaAs, situacija bi bila nešto složenija, najviše stoga što elektroni postižu svoju maksimalnu brzinu pri polju od 3KV/cm, a zatim opadaju na nivo zasićenja koji odgovara nivou zasićenja u Si.

10

Ovdje treba uočiti da kanal egzistira samo u području ispod vrata. Ovo odgovara ponašanju JFET-a i od interesa je napon na kanalu Ui koji zamjenjuje napon odvod-izvor uDS [ slika 9.18 a)]. Za generiranje i-u karakteristike MESFET-a , koriste se rezultati koji su dobijeni za JFET, uz izvjesne modifikacije preko napona Ui što ovdje neće biti izvedeno. Za tipični MESFET od GaAs , može se smatrati da je struja u kanalu skoro linearna do tačke zasićenja (linearna oblast) pa vrijedi :

i

iDS

R

UI = (9.32)

gdje je Ri otpornost kanala. Takođe je struja zasićenja data sljedećom jednostavnom jednačinom:

i

SATDSSAT

R

UI = (9.33)

Tehnička realizacija MESFET-a je obično takva, da se na pločicu od poluizolirajućeg GaAs epitaksijalnom tehnikom nanese sloj od n tipa GaAs, na koji se odozgo postavljaju tri metalne elektrode. Vrata su najčešće od Al, a omski kontakti izvora i odvoda postižu se nanošenjem legura zlato-telur. Uz veću pokretljivost elektrona, GaAs može da podnese i više temperature od Si, i zato se MESFET-ovi najčešće proizvode od GaAs. Upravljanje kanalom preko napona na vratima, smanjuje ulazni kapacitet, što uz bolju pokretljivost elektrona u GaAs, znatno poboljšava performanse tranzistora na visokim frekvencijama.

9.13.2 Tranzistori snage: VMOS i IGBT

a) Tranzistori snage su namijenjeni radu sa signalima velike snage. Ovo se postiže sposobnošću tranzistora da provode velike struje, a da pri tome imaju visoke

probojne napone. Iz jednačine (9.14): [ 2)(2 TNGSnDS Vu

L

WKi −′= ] se vidi da se

povećanje maksimalne struje MOSFET-a postiže skraćenjem dužine kanala L ili povećanjem njegove širine W. Povećanje širine kanala vodi ka povećanju površine poprečnog presjeka silicijumske pločice, što nameće ekonomska ograničenja. Smanjenje dužine kanala je ograničeno rezolucijom foto-litografskog postupka (tehnologija proizvodnje) i dozvoljenom vrijednošću probojnog napona izvor-odvod. Naime, vrijednost probojnog napona kod MOSFET-ova se smanjuje sa smanjenjem dužine kanala, pošto se dio kanala, kod pojave „gnječenja“ , širi od odvoda ka izvoru. Rješenje je nađeno u promjeni konstrukcije MOSFET-a, tako da struje teku vertikalno, normalno na površinu vrata, a da tehnološki postupak i dalje ostane planaran (sve operacije se obavljaju u istoj ravni, što omogućuje istovremenu izradu više tranzistora). Tako se proizvode vertikalni MOSFET (VMOS) koji koristi

11

tehnologiju dvostruke difuzije DMOS (double mos). Vertikalni MOSFET-ovi se uglavnom koriste kao prekidači za velike struje (više desetina ampera) i velike probojne napone od nekoliko stotina volta i proizvode se isključivo sa induciranim kanalom, koji se formira naponom koji je istog polariteta kao i napon odvoda. Uz to, najčešće se koristi N kanalni VMOS, pošto, pri ostaloj jednakoj geometriji ima veću struju, zbog veće pokretljivosti elektrona u odnosu na šupljine. Ovo važi generalno i za MOSFET-ove male snage, kada se koriste kao prekidači. Različiti prizvođači prizvode MOSFET-ove snage pod nazivima: HEXFET (National), VMOS (Philips), SIPMOS (Siemens) i svi imaju različit fizikalni dizajn, koji je ubačen u površinski sloj podloge u više paralelnih slojeva, kako je to pokazano na slici 9.19.

Slika 9.19. Struktura HEXFET, VMOS and SIPMOS sa induciranim n kanalom (žuto obojeno) Kod ovih tranzistora, pod dejstvom pozitivnog napona između vrata i izvora a koji je veći od napona VTN, mogu se formirati dva inducirana kanala (koji se često nalaze u jako dopiranom p poluvodiču - označeni žutom bojom). Struja kanala se zatvara do odvoda veritikalnim tokom, kroz slabije dopirani poluvodič n tipa, unesen u cilju povećanja probojnog napona. Ova konstrukcija najviše sliči onoj na slici 9.19 za SIPMOS, gdje je između n+ oblasti a ispod p oblasti ubačen jedan manje dopirani n- sloj (razdvajajući sloj). Opisanom konstrukcijom, izvor i odvod su razdvojeni manje dopiranim slojem n tipa, u koji se, zbog manje dopiranosti, širi oblast prostornog naboja (osiromašena oblast). Pri tome, dužina kanala može biti mala, pa VMOS ima i veliku struju i veliki probojni napon. Konstrukcija sa vratima u obliku slova V, kod Philipsa, pogodna je u radu sa višim frekvencijama, jer ima manje parazitne kapacitete. b) Bipolarni tranzistori sa izoliranim vratima - IGBT (The Insulated Gate Bipolar Transistor) su tranzistori koji kombiniraju najbolja svojstva bipolarnih tranzistora i MOSFET-a. Bipolarni tranzistori imaju manje gubitke kada su u stanju vođenja, ali imaju takođe i duže vrijeme prekidanja od MOSFET-a, posebno kod isključivanja,

12

dok se MOSFET može brže prebaciti iz stanja vođenja u stanje kočenja, ali su njegovi gubici u stanju vođenja veći. Tako, IGBT-i imaju manji pad napona u stanju vođenja, u kombinaciji sa velikom brzinom prekidanja. IGBT-i imaju takođe vertikalnu strukturu, kako je to pokazano na slici 9.20 a). Ova struktura je slična strukturi vertikalnog MOSFET-a, sem što ovdje postoji p+ sloj, koji formira odvod bipolarnog tranzistora sa izoliranim vratima. Sloj p

+ i n+ formiraju pn spoj (označen kao J1 na slici). koji ubacuje manjinske

nosioce naboja (šupljine) u n- oblast (područje struje odvoda).

Slika 9.20 a) Poprečni presjek IGBT-a b) simbol za IGBT IGBT je tehnološki izvodena simetrična struktura [osa simetrije je prava izvor-odvod, koja polovi strukturu prikazanu na slici 9.20 a)]. Vrata i izvor IGBT-a su van područja poluvodiča, kako je pokazano na slici 9.20 a). IGBT ima parazitnu četveroslojnu strukturu (kao element nazvan tiristor: na slici označen simbolom za tiristor). Sloj od n+ poluvodiča (buffer) postavljen između p+

kontakta odvoda i n- vodljivog sloja, i koji je odgovarajuće dopiran, može značajno poboljšati rad IGBT-a. On smanjuje pad napona na ovome tranzistoru u stanju vođenja i skraćuje vrijeme prelaska u stanje kočenja. Simbol za IGBT je dat na slici 9.20 b).

13

IGBT je novi, vodeći uređaj danas, za primjene u prekidanju srednjenaponskih krugova. Ovi uređaji imaju mnoge poželjne osobine, uključujući MOS ulaz vrata, veliku brzinu prekidanja, mali pad napona u stanju vođenja, mogućnost provođenja velikih struja, i značajno smanjenje dimenzija. IGBT se sa svojim osobinama približava „idealnom prekidaču“, sa tipičnim iznosima napona prekidanja od 600-1700 V i padom napona pri vođenju od 1,7 do 2 V, pri strujama do 1000 A te brzinom prekidanjaod 200-500 ns. Ovaj tranzistor smanjuje cijenu sistema u koji se ugrađuje i povećava broj ekonomski isplativih operacija.