Полевые транзисторы - активные полупроводниковые приборы, управляемые полем. Онн имеют тонкую область полупроводника (канал) с контактами истока н стока, покрытую затвором. ГТоперечное поле затвора управляет проводимостью канала, физические основы работы ПТ описаны в ряде книг, например в [1].

Если затвор с каналом образуют р-п переход, то приборы называются полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом. При изменении напряжения на р-п переходе меняются его ширина, толщина канала и проводимость. Последняя максимальна, когда напряжение на р-п переходе равно нулю или смещает его в прямом направлении (это, однако, ведет к резкому росту тока затвора).

МДП-транзисторы имеют металлический или полнкристаллический затвор, отделенный от канала очень тонким слоем диэлектрика. Поле затвора индуцирует основные носители в канале. Такие приборы называют МДП-транзисторами с индуцированным каналом. Нормально онн закрыты н открываются, если напряжение затвор-исток превышает некоторый пороговый уровень Uo. Технология изготовления МДП-транзисторов позволяет создать канал, проводящий ток Приборы этого типа называются МДП-транзи-сторамн со встроенным каналом. Они нормально открыты и управляются (ток стока увеличивается нлн уменьшается) напряжением на затворе различной полярности.

В зависимости от типа проводимости канальной области ПТ могут быть п- нлн р-канальными (рнс. 1.1). Напряжение на стоке га-канальных ПТ положительное, а р-канальных отрицательное.

6U

п-какатмые

Рис. 1 1. Обозначения мощных полевы.х транзисторов с управляющими р-п переходом (а), индуцированными (б) и встроенным (в) каналами

Будучи трехэлектродными приборами, ПТ характеризуются прежде всего семейством выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ), т. е. зависимостью тока стока /с от напряжений сток-исток [/си и затвор-исток f/зи : /с=/([/Си , изи). Для малых приращении тока стока можно записать

ЗИ ь СИ

Параметр S==dicldu А/с/Д зи называется крутизной транзистора,

а = 5 си/с Аиси/с -внутренним сопротивлением. Эти параметры

зависят от постоинной составляющей тока стока (т. е. от положения рабочей точки).

Семейство выходных ВАХ (рис. 1.2) содержит характерные почти вертикальные (крутые) и почти горизонтальные (пологие) участки. Рассмот-

св л

Рис. 1.2. Семейство ВАХ мощного МДП-транзнстора с линией нагрузки стокового резистора

ренные выше параметры S к Ri обычно указывают для пологих участков, что характерно для работы ПТ в усилительных режимах.

В ключевых схемах ПТ управляется двумя уровнями f/зи: прн одном (например, нулевом дли МДП ПТ с индуцированным каналом) он закрыт, а при другом открыт. В открытом состоянии рабочая точка обычно находится на крутом участке ВАХ для заданного i/зи. Прн этом прибор между выводами стока и истока имеет сопротивление во включенном состоянии ?си вкл с ост с вкл. В выключенном состоянии приборхарактеризуется остаточным током /с ост при заданных Uc ост и Um.

Наконец, все типы мощных ПТ имеют междуэлектродные емкости: входную Сзн (нлн Си), проходную Сзс (или С2) и выходную Сси (или С22). Эти емкости в основном определяют быстродействие приборов. У ВЧ- и СВЧ-транзисторов (особенно арсенид-галлиевых), приходится учитывать отдельные составляющие этих емкостей и паразитные индуктивности конструкции.

Из общих особенностей мощных ПТ можно отметить:

1. Размещение на одном кристалле сотен и даже тысяч элементарных структур либо разветвленную геометрию элементарной структуры с целью

увеличения S и /с макс

2. Введение в область стока высокоомной области с целью повышения рабочих напряжений.

3. Монтаж приборов в корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод прн рассеиваемых мощностях до десятков-сотеи ватт.

4. Малые габаритные размеры н массу (во многие тысячи раз меньшие, чем у ламп), большой срок службы, отсутствие нити накала.

5. Некрнтнчность к токовым перегрузкам. Достоинствами мощных ПТ являются:

1. Ничтожная мощность управления в статическом режиме и малые токи затвора.

2. Высокая скорость переключения, резко снижающая динамические потерн в ключевых схемах.

3. Отсутствие теплового пробоя н слабая подверженность вторичному пробою (что, в частности, связано с отрицательным температурным коэффициентом изменения тока стока).

4. Самоограничение тока стока, препятствующее токовым перегрузкам.

5. Повышенная линейность в усилительных режимах, снижающая уровень интермодуляцнонных искажений.

6. Отсутствие явления накопления избыточных носителей в структуре и их медленного рассасывания.

К недостаткам мощных ПТ можно отнести: выход из строи прн электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных); повышенные по сравнению с биполярными транзисторами остаточные напряжения, что увеличивает потерн в статическом режиме; худшаи радиационная стойкость; более высокая, чем у биполярных транзисторов, стоимость.

Этн недостатки частично устраняются. Так, для защиты транзисторов от перегрузок по напряжению (в основном по цепи затвора) в них встраиваются защитные стабилитроны. Сопротивление транзисторов в открытом состоянии уже снижено до сотых долей ома. Радиационная стойкость повышается технологическими способами, а стоимость приборов непрерывно снижается по мере увеличения объема выпуска. Темпы роста сбыта мощных ПТ за рубежом достигают 50% в год и в несколько раз превышают темпы роста сбыта мощных биполярных транзисторов.

Отмеченные достоинства мощных ПТ открывают обширные возможности применения их в усилителях мощности НЧ, ВЧ и СВЧ, радиопередающих устройствах, импульсных и переключающих схемах (в том числе нано- и субианосекундного диапазона), преобразователях электрической энергии, источниках электропитания с высоким КПД, в генераторах накачки лазерных излучателей и т. д.

Конструктивно мощные ПТ выполняются в стандартных корпусах для мощных полупроводниковых приборов [2], рассеивающих мощности от нескольких до сотен ватт. Как правило, онн устанавливаются на массивных теплоотводящнх радиаторах.

За рубежом мощные ПТ являются быстро развивающимся классом активных приборов [3-5]. Так, уже в 1984 г. число их типов достигало 1000. Выпуск мощных ПТ налажен рядом крупных фирм.

1.2. Генераторные мощные полевые транзисторы

Генераторные мощные ПТ предназначены для построения генераторов ВЧ- и СВЧ-синусондальных колебаний с внешним возбуждением (реже автогенераторов). Среди этих приборов изредка встречаются ПТ с управляющим р-п переходом (например, КП903). В основном этот класс представлен МДП-траизисторамн.

В разработку генераторных мощных ПТ приоритетный вклад внесли отечественные работы [7-16]. Первые мощные л-канальные МДП-транзисторы (КП901, КП902, КП904, КП905, КП907 н КП908 [17-19]) имели горизонтальную структуру (рис. 1.3). Благодаря применению протяженного высоко-омного участка стоковой побласти удалось повысить рабочие напряжения до десятков вольт без опасности перекрытия довольно короткого (около 5 мкм) канала. Сильно разветвленная (в виде змейки) структура поверхности этих приборов позволила увеличить ширину канала н впервые довести рабочие токи до нескольких ампер (приборы КП904 и КП907).

Элементарный (а потому довольно неточный) анализ ВАХ МДП-транзи-стора дает для крутых участков ВАХ следующее выражение;

(U-Uo) --2

где i/o -напряжение отсечкн; р - подвижность носителей в канале; L - длина канала; Z -ширниа канала; Со=воедМд - удельная емкость затвора (йд - толщина диэлектрика подзатворной области).

о

IWciiW

>®

п-канал

Подложка p-/ni ia

можно отметить две принципиально важные особениости. Первая-длина канала L определяется толщиной р-области. Сделать тонкую область толщиной порядка I мкм гораздо проще, чем горизонтальный канал длиной 5 мкм. Вторая особенность - массивная и толстая п-область, в которую вытесняется область объемного заряда канала при высоких Пол. В результате удается одновременно увеличить (Уси и заметно снизить /?си вкл. В то же время изготовление V-образной канавки требует специальных те.хнологических приемов, а ее острый профиль внизу ведет к концентрации электрических полей и снижению предельных (/Си.

Структура приборов, показанная на рис. 1.5, сочетает преимущества го-

Рис. I 3. Горизонтальная структура транзистора

мощного МДП-

Металл

Если обозначить b = [i ZC()/L-8 e\inZ/Ldj, то получим-= * [(Сзи~о) £/си~си/2]- Это выражение справедливо при Сси <U~Uo. При (/сизи-0 ток стока достигает насышения и раиен С = см = 0,56 (f/gjj-t/o) крутизна приборов при этом S = b(U-Uo) =

Из этих соотношений вытекает, что при заданной длине затвора L н подвижности х основной возможностью увеличения /см является увеличение ширины затвора Z. Интересно отметить, что при Z, 5-10- см значение Z у приборов КП902, КП90 и КП904 составляет соответственно 0,6; 3 и 12 см.

В действительности иа работу мощных ПТ с горизонтальной структурой большое влияние оказывают различные физические эффекты: изменение Хп и L, влияние объемных сопротивлений областей стока и истока, электрический пробой (ведущий к загибу вверх кривых ВАХ при больших Ьси, см. рис. 1.2) и др. Количественная оценка этих явлений во всей их совокупности весьма сложна и частично дается при описании их математических и электрических моделей в гл. 2.

Сделать горизонтальную область канала длиной менее 5 .мкм очень сложно. Кроме того, длинный высокоомный .язычок стока обусловливает большое последовательное сопротивление стоковой области, зедущее к боль-

II -14] были реально показаны уни-МДП-траизисторов с горизонтальной

ШИМ Аси вкл. Поэтому, хотя в работах кальиые ключевые свойства мощных

структурой (в частности, субиаиосекундкыс времена переключения), развитие этих приборов прекратилось.

В последующем генераторные (и ключевые) приборы стали изготавливаться в основном с вертикальной структурой. Широкую известность получили УМДП-трапзисторы, структура которых показана на рис. 1.4 [9]. В ней

()М q3 аН

Рис. 1.4. Структура мощного УМДП-траизистора

Рис. 1.5. Структура мощного МДП-транзистора, изготовленного по технологии двойной диффузии

Рис. 1.6. Структура мощного иМДП-транзистора: / - индуцированный п-канал; 2 -электрод истока (А1); 3 - электрод затвора

ризоитального расположения канала с простотой диффузионных процессов изготовления мощных ПТ. На рис. 1.6 представлена структура приборов с U-образиой канавкой. Локализация полей у дна канавки здесь минимальна. На этом рисунке показаны и слои металлизации областей затвора, истока и стока (они заштрихованы). Монолитная структура этих приборов пригодна для реализации сильноточных приборов. Горизонтальный рельеф приборов