транзисторам преимущества включают:

Свойство почти бесконечного входного импеданса:

- управляемый напряжением вход;

- низкая входная мощность;

- незначительное число компонентов цепи управления;

Очень маленькие времена переключения:

- нет неосновных носителей;

- минимальное время задержки выключения;

- большая область безопасной работы при обратном смещении;

- большое произведение коэффициента усиления и полосы частот;

Положительный температурный коэффициент сопротивления в открытом состоянии:

- большая область безопасной работы при прямом смещении;

- легкость параллельного соединения;

Почти постоянную крутизну;

Высокую невосприимчивость к dv/df;

Низкую стоимость.

Направление разработки мощного МОП-транзистора TMOS фирмы Motorola - дальнейший шаг в постоянном продвижении, которое началось с обычного маломощного МОП-транзистора и привело к замене промежуточного горизонтального МОП-транзистора с двойной диффузией (LDMOS-транзисторы) и вертикального с V-каналом (VMOS-транзисторы).

Обычный маломощный МОП-транзистор с горизонтальным N-каналом состоит из подложки Р-типа с малой концентрацией примеси, в которой образованы путем диффузии две N* области с большой концентрацией примеси, как показано на рис. 1.3.

N+ области действуют как исток и сток, отделенные каналом, длина которого определяется путем фотолитографического ограничения. Эта конфигурация приводит к большой длине канала, малому допустимому току, низкому обратному запирающему напряжению и большому сопротивлению в открытом состоянии Го8(оп)-

1.3. Обычный маломощный МОП-транзистор (имеет длинный гсризонтальный канал, даюищй относительно высокое сопротивление сток-исток затвор; 2-ток; 3-обедненная область; 4-N-канал (путь тока); 5-Р-гюдложка; 6-металлический исток; 7-металлический сток.

В основе эволюции мощного МОП-транзистора лежит два основных изменения в устройстве малосигнального МОП-транзистора. Одним из них было применение метода направленной двойной диффузии для достижения очень малой длины канала, что обеспечило более высокие плотности ггомпановки канйла, приведшие в результате к более высокому допустимому значению тока и более чизкому значению сопротивления в открытом состоянии гс8(оп)- Другое изменение - включение слабо легированной области N между каналом и N+ стоком, обеспечивающее высокое обратное запирающее напряжение.

В результате этих изменений была получена структура мощного полевого транзистора (LDMOS), показан-

Si02

КАНАЛ

Рис. 1.4. Структура горизонтального, с двойной диффузией МОП-транзистора, обладающая малой длиной канала и высокой плотностью компановки для низкого сопротивления в открытом состоянии.

ная ка рис. 1.4, в которой все зажимы прибора находятся на верхней поверхности кристалла.

Основной недостаток такой конфигурации заключается в неэффективном использовании площади кремния вследствие того, что необходима площадь для контакта стока на верхней поверхности.

Следующая ступень в процессе развития - вертикальная структура, в которой контакт стока находится на нижней стороне кристалла. При этом увеличилась плотность компановки канала. В первоначальной. концепции использован мощный МОП-транзистор с V-каналом, как показано на рис. 1.5.

Каналы в этом приборе получаются путем травления V-канавок через N+ и Р-области, полученные путем двойной диффузии. В данной конфигурации выполняются требования достаточной плотности компановки, эффективного использования кремния и достаточного обратного запирающего напряжения. Однако вследствие непланарной структуры последовательность процессов и требования чистоты приводят к более высокой стоимости кристалла.

Рис 1.5. Структура МОП-транзистора с V-каналом (имеет короткие вертикальные каналы с малым сопротивлением сток-исток).

Структура ячейки, выбранная для мощного МОП-транзистора TMOS фирмы Motorola показана на рис. 1.6.

Эта структура подобна структуре, показанной на рис. 1.4, за исключением того, что контакт стока опущен через N-подложку к обратной стороне кристалла. Затвор представляет слой поликристаллического кремния, расположенный между двумя слоями оксида и металлизация истока нанесена непрерывно поверх активной площади. Двуслойный электрический контакт дает оптимум плотности компановки и повторяет тех-

Рис. 1.6. Структура мощного МОП-транзистора TMOS с вертика.чьны.м протеканием тока, низки>1 сопротив.чением и компактной .кета.1-лизацией верхней и нижней поверхностей, понижающей размеры кристатла: J-исток: 2-сток; 3-И-подложка; 4-N-эпшпаксиальный слой; 5~ Sl02; 6-гаок стока: Т-К-канол: 8-поверхность истока; V-кремниевый затвор.

нологические преимущества планарного транзистора LDMOS. Примененные приемы приводят к высокопроизводительному технологическому процессу, дающему выход высоковольтных приборов с низким сопротивлением открытого состояния Гоз(ог)-

Основные электрические параметры мощного полевого МОП-транзистора

Ток стока 1р:

Когда напряжение соответствующей полярности и величины приложено к затвору, затвор из поликристаллического кремния индуцирует инверсионный слой на поверхности области диффузионного канала, обозначенный Ген на рис. 1.7.

Этот инверсионный слой или канал присоединяет исток к слабо легированной области стока и начинает протекать ток. Для малых значений приложенного напряжения сток-исток Vqs ток стока возрастает линейно и может быть представлен уравнением (1).

По мере того как напряжение стока увеличивается, ток стока насыщается и становится пропорциональным квадрату приложенного напряжения затвор-исток, Veg, как показывает уравнение (2).

где - подвижность носителей;

Со - емкость оксидного слоя затвора на

единицу площади;

Z - ширина канала;

L - длина канала. Эти значения выбираются разработчиком прибора таким образом, чтобы удовлетворить требованиям проекта и могут быть применены при моделировании и расчете схемы на ЭВМ. Они объясняют форму выходных характеристик.

Крутизна gfg:

Крутизна или коэффициент усиления мощного МОП-транзистора TMOS определяется как отношение изменения тока стока и соответствующего небольшого изменения напряжения затвор-исток и представлена уравнением (3).

g/s = D(sat)VCS = jhCo[VGS-VcS(th)] < 3>

Параметры те же самые, что и приведенные выше, и показывают, что ток стока и крутизна непосредст-

1Ю1И11НН1Ш11Г11И1111Н1111И111И1П

Рас. 1.7. Сопротивление открытого состояния транзистора TMOS

венно связаны и зависят от кристалла. Отметим, что крутизна - линейная функция напряжения затвора - важное свойство при проектировании усилителя на ПТ.

Пороговое напряжение Vcjs(t}i)

Пороговое напряжение - напряжение затвор-исток, требующееся для достижения инверсии области диффузионного канала (гсн на рис. 1.7), приводящей к появлению проводимости канала. По мере увеличения напряжения канал увеличивается, его сопротивление уменьшается и протекающий ток увеличивается. Чтобы сохранить корреляцию измерений, пороговое напряжение измеряется при заданном значении тока (обычно 0,1 мА). Значение порогового напряжения, в первую очередь, зависит от толщины оксидного слоя затворч и уровня примеси в канале, которые выбираются при проектировании кристалла таким образом, чтобы прибор оставался в запертом состоянии при отсутствии смещений на затворе при высокой температуре. Минимальное значение порогового напряжения 1,5 вольт при комнатной температуре .гарантирует, что транзистор останется в режиме усиления при температуре перехода до 150Х.

Сопротивление открытого транзистора rDS(on)

Сопротивление открытого транзистора определяется как полное сопротивление на пути тока стока, протекающего от истока до стока. В соответствии с рис. 1.7 сопротивление rQS(on) состоит в основном из четырех компонентов, связанных с: инверсионным каналом-Ген. областью накопления затвор-сток - Гдсс. областью сужения перехода полевого транзистора - rjFEj и слабо легированной областью стока - Гц:

DS(oii )=fСН+ГасС+Г/рЕТ+Го

Сопротивление канала увеличивается с увеличением его длины, сопротивление накопления увеличивается с увеличением ширины поликристаллического затвора, и сопротивление сужения увеличивается с увеличением удельного сопротивления эпитаксиального слоя и все три компонента обратно пропорциональны ширине канала и напряжению затвор-исток. Сопротивление стока пропорционально удельному сопротивлению эпитаксиального слоя, ширине поликристаллического затвора и обратно пропорционально ширине канала. Таким образом, в полевых транзисторах TMOS с толстым эпитак-сиальным слоем, обладающим высоким удельным сопротивлением, большая доля напряжения в открытом состоянии приходится на Гр. Приборы с низким напряжением имеют тонкий эпитаксиальный слй с низким удельным сопротивлением и Грн составляет боль-

Шую долю полного сопротивления в открытом состоянии. Поэтому высоковольтные приборы полностью открыты при умеренных напряжениях на затворе, в то время как в низковольтных приборах сопротивление открытого состояния продолжает уменьшаться по мере того, как Vgs увеличивается до максимального паспортного значения.

Сопротивление Гоз(оп) обратно пропорционально подвижности носителей. Это значит, . что Гсз(оп) МОП-транзистора с. р-каналом приблизительно в 2,&-3 раза больше, чем для подобного МОП-транзистора с N-каналом. Поэтому для того, чтобы подобрать под пару комплементарные характеристики в открытом состоянии, отношение r/L прибора с Р-каналом должно быть в 2,5-3 раза больше, чем для прибора с N-каналом. Это значит, что для МОП-транзистора с Р-каналом с тем же самым Го8(оп) тем же напряжением прсСоя, что и для прибора с N-каналом, требуется больший кристалл и поэтому емкости прибора и стоимость будут соответственно выше.

Напряжение пробоя V(BR)DSS

Напряжение пробоя или обратное запирающее напряжение мощного полевого транзистора TMOS определяется таким же образом, как и Vjbrjces биполярного транзистора и объясняется лавинным пробоем. Этот предел напряжения достигается, когда носители в области пространственного заряда (ОПЗ) обратно-смещенного P-N-перехода приобретают достаточную кинетическую энергию для ионизации или когда достигнуто критическое значение электрического поля. Величина этого напряжения определяется главным образом характеристикой слаболегированной области стока и типом поверхностного электрического поля кри-СТ8ЛЛВ.

На рис. 1.8. схематически представлено попереч-tlC9 сечение прибора и на рис. 1.9 изображен бипо-лярсзый транзистор, встроенный в эпитаксиалькый слой.

Точка А (рис. 1.8) показывает, где эмиттер и база биполярного транзистора соединены вместе. Это обь-ясняет, почему Vjbrjdss мощного полевого транзистора равно V(Qn)ces биполярного транзистора. Так же отмечаем короткое замыкание, приводящее базу в контакт с металлизвцдей истока, допускающее использование перехода база-коллектор. Это диод, присоединенный

Рис 1.8. Паразитные емкости транзистора TMOS

Риа 1.9. Схематическое изображение всех компонентов поперечного сечения, показанного на рис. 1.7.

параллельно мощному МОП-транзистору TMOS. Емкости мощного МОП-транзистора TMOS

Для мощного МОП-транзистора характерны два типа емкостей: емкости, чязанные с МОП-структурой и емкости, связанные с P-N-переходом. Две емкости связаны с ячейкой МОП-транзистора:

- емкость затвор-исток Cgs

- емкость затвор-сток Cgd

Величины этих емкостей определяются геометрией кристалла и слоев оксида, связанных с кремниевым затвором.

P-N-переход, образующийся при изготовлении мощного МОП-транзистора, приводит к возникновению емкости сток-исток Cds. Эта емкость определяется так же, как и емкость любого другого планарного перехода и является непосредственной функцией площади канала стока и ширины обедненной области смещенного в обратном направлении P-N-перехода.

Диэлектрическим изолятором Cgs и Cgj служит главным образом стекло. Поэтому эти емкости очень стабильны и не изменяются при изменении напряжения и температуры. Если к затвору приложено чрезмерное напряжение, происходит пробой через стекло. При этом возникает путь проводимости и нарушается действие МОП-транзистора.

Оптимизация геометрии TMOS:

Геометрия и плотность компановки МОП-транзистора фирмы Motorola г;зменяется в зависимости от величины запирающего обратного напряжения.

Геометрия местоположения истока, а также расстояние между местоположениями истока представляют важные факторы в эффективном проектировании мощного МОП-транзистора. Оба параметра определяют плотность компановки канала, т.е. отношение ширины канала на ячейку к площади ячейки.

Для низковольтных приборов ширина канала является критической для минимизации rQS(on). поскольку сн - основная составляющая компонента Го8(оп). ОД нако при высоком напряжении Го - главная компонента сопротивления и, таким образом, минимизация гс8(оп) зависит от максимизации отношения активной площади стока на ячейку к площади ячейки. Эти два условия для минимизации Го8(оп) не могут быть удовлетворены при одной и той же геометрии структуры для приборов как низкого, так и высокого напряжения.

Преимущества мощных МОП-транзисторов

Мощные МОП-транзисторы обладают специфическими характеристиками и параметрами, недостижимыми для мощных биполярных транзисторов. Используя преимущества этих различий, можно получить экономию в стоимости системы без ущерба для надежности.

Быстродействие (скорость переключения)

Мощные МОП-транзисторы - приборы основных носителей, поэтому их скорость переключения по своей природе выше. Поскольку отсутствует накопление неосновных носителей в базе, присущее биполярным транзисторам, исключается время накопления. Высокие скорости переключения допускают эффективное переключение при более высоких частотах, что снижает стоимость, размеры и вес реактивных элементов.

Скорости переключения МОП-транзистора зависят главным образом от заряда и разряд? емкостей прибора и по существу не зависят от рабочей температуры.

Входные характеристики

Затвор мощного МОП-транзистора электрически изолирован от истока слоем оксида, который представляет сопротивление постоянному току больше 40. МОм. Приборы полностью открыты при напряжении на затворе 10 вольт. Большое входное сопротивление