Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 3
Tranzistory řízené polem

3.1  Tranzistory řízené polem

Jsou označovány zkratkou FET (field effect transistor). Narozdíl od bipolárních tranzistorů je unipolární tranzistor ovládán příčným elektrickým polem. Užívá se struktura typu MOS (metal oxide semiconductor) . Takováto struktura se skládá z polovodiče, na němž je vytvořena tenká izolující vrstva nečastěji z oxidu opatřená kovovou řídící elektrodou. Jako nosná podložka (substrát) vlastního systému tranzistoru slouží destička monokrystalického materiálu, zpravidla křemíku o vodivosti P. V ní jsou v určité vzdálenosti od sebe (řádově jednotky až desítky μm) vytvořeny silně dotované oblasti, vytvářející se substrátem přechody PN. Jeden je vždy polarizován do přímého směru a zastává funkci emitoru E a druhý polarizovaný do závěrného směru přebírá funkci kolektoru C. Řídící kovová elektroda G (hradlo) je od polovodiče oddělena tenkou izolační vrstvou, nejčastěji tvořenou SiO2.

Není-li G vůči E resp. C aktivováno elektrickým nábojem (UGE = 0), odpovídá „dráha“ emitor-kolektor sériovému zapojení dvou PN přechodů. Při polarizaci struktury napětím UCE prochází strukturou pouze malý zbytkový proud I0 kolektorového přechodu (UCE > 0 a pro potenciál substrátu platí 0 ≤ VP ≤ VC). Působením napětí UGE > 0 se indukuje v oxidové vrstvě vázaný náboj, který zapřičiní vznik vrstvy inverzní vodivosti na rozhraní polovodič-oxid. To znamená, že koncentrace minoritních nosičů náboje je větší než majoritních (pP < nP). Tímto kanálem prochází proud mezi E a C. Velikost procházejícího proudu je závislá na hloubce kanálu (ta je funkcí velikosti indukovaného elektrického náboje).

3.2  MISFET

MISFET je zkratka metal insulator semiconductor FET. Izolační vrstvu tvoří nejčastěji oxid křemíku SiO2, pak se uspořádání označuje MOSFET.

Základem tranzistorů s izolovaným hradlem IGFET (insulated gate FET) je struktura MIS. Ta se skládá z polovodičové podložky (nejčastěji křemíková destička o tloušťce 300–500 μm), z vrstvy dielektrika (např. vrstva oxidu křemičitého o tloušťce 0,05–0,2 μm) a z hradla (elektroda G vyrobená z dobře vodivého materiálu, např. z hliníku nebo polykrystalického křemíku o tloušťce až několik desítek μm).

Na vlastnosti struktury MIS mají rozhodující vliv děje v polovodičích, ve vrstvě dielektrika a v hraniční oblasti mezi dielektrikem a polovodičem. Podstatný význam má též kontaktní potenciál mezi kovem a polovodičem.

3.2.1  MOSFET s indukovaným kanálem

Základní destička je tvořena polovodičem (např. P) s vysokým odporem (tj. s malým procentem příměsí). Dvě oblasti oblasti opačného typu (např. N), vzájemně od sebe oddělené, tvoří source a drain. Hradlo G je od základní destičky izolováno vrstvičkou SiO2 a je tvořeno povlakem kovu napařeným na izolantu.

3.2.2  MOSFET s vodivým kanálem

Od MOSFETu s indukovaným kanálem se liší pouze tím, že pod vrstvičkou SiO2 existuje kanál stejné vodivosti jako source a drain, což způsobuje, že proud iD může procházet i při uGS = 0.

3.3  Tenkovrstvý tranzistor

Užívá se zkratka TFT (think film transistor). Jedná se o modifikaci MIS tranzistoru. Podložka z plastu nebo skla, zlaté napařené elektrody emitoru a kolektoru. Polovodič má značnou šířku zakázaného pásma (=> malá vlastní vodivost kanálu). Izolační vrstva z Al2O3 nebo SiO2, elektroda hradla hliníková.

Používá se ve vrstvových IO. Díky napařeným kontaktům nelze používat pro větší výkony

3.4  IGBT – bipolární tranzistor s izolovaným hradlem

Zkratka IGBT znamená insulated gate bipolar transistor. Vznikne z unipolární struktury jednoduchou technologickou operací – přidáním vysoko dotované vrstvy P+ ke kolektoru. Takovýto prvek můžeme z hlediska působení fyzikálních mechanismů rozdělit na dvě navzájem propojené části. Jednu z nich reprezentuje klasickou MOS strukturu, představující vstupní bázi pro vytvoření druhé části – výkonového bipolárního tranzistoru. Hlavní výhodou IGBT je schopnost spínat velké proudy a blokovat velká napětí při úbytcích podobných bipolárnímu tranzistoru a napěťový způsob řízení, obdobný MOS struktuře.