Как выглядит полупроводник в автомобиле

Как выглядит полупроводник в автомобиле

Полупроводниковые приборы и их использование на автомобиле

Кроме проводников и изоляторов имеются вещества, которые занимают промежуточное положение между ними и называются полупроводниками. Их сопротивление прохождению тока больше, чем проводников, но меньше, чем изоляторов. Полупроводниковые приборы изготавливают из полупроводниковых материалов, среди которых наибольшее распространение получили четырехвалентные элементы германий и кремний.

При введении в чистый полупроводниковый материал примеси пятивалентного вещества, например сурьмы или мышьяка, образуется избыток свободных электронов.

Свободные электроны в кристалле являются электронами проводимости, и если в полупроводнике действует электрическое поле, то свободные электроны движутся направленно, создавая в полупроводнике ток. Электропроводность полупроводника, обусловленная направленным движением свободных электронов, называется электронной проводимостью, или проводимостью типа п (от латинского слова «негатив» — отрицательный).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

• Охлаждающие жидкости двигателя автомобиля и требования к ним
• Масла для дизельных двигателем
• Кабина и ее оборудование автомобиля
• Техническое обслуживания тормозной системы
• Многоконтурный пневматический тормозной привод
• Одноконтурный пневматический тормозной привод
• Вспомогательная тормозная система
• Стояночная тормозная система
• Рабочая тормозная система

В атоме, потерявшем электрон, образуется свободное место— «дырка». На это место из соседнего атома может перейти валентный электрон, на месте которого возникает дырка. Таким образом, дырка подобно электрону будет блуждать по кристаллу. При наличии внешнего электрического поля возникает направленное движение дырок, противоположное движению электронов. Направленное движение дырок вызывает прохождение электрического тока. Подвижность дырок меньше подвижности электронов. Электропроводность полупроводника, возникающая за счет направленного движения дырок, называется дырочной проводимостью или проводимостью типа р (от латинского слова «позитив» — положительный).

В полупроводнике типа п электроны называют основными носителями тока, а дырки — неосновными. В полупроводнике типа р дырки относят к основным носителям, а электроны — к неосновным.

Таким образом, полупроводниковым диодом (электрическим вентилем) называется прибор, обладающий односторонней проводимостью и имеющий один электронно-дырочный (р—п) переход и два вывода для подключения в цепь.

В электрооборудовании автомобилей диоды нашли широкое применение для выпрямления переменного тока генератора.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы:
1 —пластина германия с проводником типа; 2 — индий, вплавленный в пластину германия; 3 — область с проводимостью типа р; 4. 5 — вы воды (анод и катод соответственно); 6 — ширина перехода

Диод, предназначенный для поддержания постоянной величины напряжения (стабилизации напряжения), называется стабилитроном или опорным диодом. Стабилитрон представляет собой разновидность кремниевого диода с повышенным содержанием носителей зарядов в полупроводниках. При определенной величине обратного напряжения, называемого напряжением пробоя или напряжением стабилизации, происходит резкое увеличение проводимости в обратном направлении. В отличие от диода в стабилитроне этот процесс является обратимым, т. е. при уменьшении обратного напряжения до определенной величины проводимость стабилитрона в обратном направлении прекращается. Стабилитроны применяются в транзисторных регуляторах напряжения и в транзисторных системах зажигания. Условное обозначение стабилитрона на схемах показано на рис. 1, д.

Рис. 2. Схемы подключения и условные обозначения транзисторов:
а — типа р —п — р; 6 — типа п— р — л

Транзистор — это полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами. В переводе с английского транзистор означает трансформатор сопротивления. Он содержит два р—/г-перехода и три вывода для подключения в электрическую цепь.

Один из выводов соединен с базой, т. е. основанием транзистора, другой—с эмиттером и предназначен для эмиттиро-вания, т. е. введения носителей электрических зарядов в базу, а третий—с коллектором; он является собирателем этих зарядов Транзисторы, у которых плюс подключен к эмиттеру, а минус — к коллектору, называют транзисторами прямой проводимости (типа р — п — р) и, наоборот, у транзисторов обратной проводимости (типа п — р — п) плюс подключается к коллектору, а минус— к эмиттеру.

На базу транзистора подается малый ток управления проводимостью р — «-переходов, а по цепи эмиттер — коллектор “Ротекает значительно больший ток. Таким образом, транзистор обладает усилительными свойствами и может работать как в режиме усиления, так и в режиме переключения.

Схема подключения транзистора прямой проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, а.

При соответствующем потенциале базы носители зарядов 113 эмиттера (источника электрических зарядов) проходят к коллектору (собирателю электрических зарядов) и в цепи нагрузки появляется ток.

При подаче на базу отрицательного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 1) в цепи эмиттер — база транзистора прямой проводимости появится управляющий ток, что и обеспечит протекание тока в цепи нагрузки эмиттер—коллектор, т. е. транзистор откроется.

В случае подачи на базу положительного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 2) транзистор закроется (переход эмиттер — коллектор обладает большим сопротивлением). Если на базе транзистора управляющий потенциал отсутствует (цепь базы разомкнута), то транзистор будет закрыт.

Схема подключения транзистора обратной проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, б.

Эмиттер транзистора обратной проводимости соединяют с отрицательным полюсом источника тока. При подаче на базу положительного потенциала, в цепи эмиттер —база транзистора обратной проводимости появится управляющий ток и транзистор откроется. При подаче на базу отрицательного потенциала транзистор закроется.

Таким образом, управляя весьма малым током базы транзистора, можно бесконтактно включать и выключать значительный ток в цепи эмиттер — коллектор. В реле-регуляторах и системах зажигания транзисторы работают в двух устойчивых состояниях: «открыт» и «закрыт».

Что такое полупроводники. Объясняем простыми словами

Полупроводники — кристаллические вещества (химические элементы, соединения и сплавы), которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами).

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не проводят вообще. Но с ростом температуры или под действием света начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется «легирование».

Самый известным полупроводник — кремний (Si).

Ключевые современные полупроводниковые устройства — процессоры и иные микросхемы.

Полупроводники есть как почти во всех девайсах, которыми мы ежедневно пользуемся, так и в крупной промышленной, медицинской и другой технике: смартфонах, компьютерах, телевизорах, автомобилях, аппаратах ИВЛ, космических спутниках и т. п.

Пример употребления на «Секрете»

«Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры. Тендер на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР) для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и GeAs) диаметром 100 и 150 мм объявили в конце сентября. На работы выделяют 1,2 млрд рублей в течение четырёх лет».

Кризис полупроводников

Вскоре после того как весной 2020 года на фоне пандемии коронавируса автопроизводители сократили заказы, во всём мире возникла нехватка чипов для электроники. Как [объяснил] (https://secretmag.ru/news/deficit-mikroskhem-dobralsya-do-rossiiskogo-avtoproma.htm) генеральный директор научно-производственного предприятия ИТЭЛМА Евгений Горелик, цикл производства микросхем превышает шесть месяцев и предусматривает выращивание кремниевых кристаллов. Из-за специфики производства кристаллов производители запускают процесс выращивания раз в квартал, а некоторые и вовсе раз в год. При этом обычно их производят в большом количестве, а затем отправляют одну часть в корпусы, а вторую часть — на склад. За первый год пандемии запасы производителей кристаллов сократились до нуля.

Кроме коронавируса, повлиял рост спроса со стороны производителей других товаров, особенно бытовой электроники. Затем на поставках сказались [ледяной шторм в Техасе] (https://secretmag.ru/news/v-ssha-krupnye-zavody-priostanovili-rabotu-iz-za-anomalnykh-kholodov-i-snegopadov.htm), который остановил работу некоторых производителей микросхем из-за сбоев в подаче электроэнергии, и пожар на фабрике чипов компании Renesas в Японии.

Дефицит полупроводников заставил сразу несколько крупных производителей отказаться от полноценного выпуска автомобилей. Например, по этой причине General Motors пришлось на неделю приостановить производство электромобилей Chevrolet Bolt и Bolt EUV. О нехватке сообщали Ford, Honda и другие компании. В результате в России [очереди] (https://secretmag.ru/news/ocheredi-za-avtomobilyami-v-rossii-dostigli-kolossalnykh-razmerov-15-09-2021.htm) на новые иномарки достигли колоссальных размеров.

Мировой дефицит добрался и до российского автопрома. Некоторое время автозаводы покрывали нехватку чипов из складских запасов, но к лету нехватка стала заметной проблемой. Завод Volkswagen в России неоднократно [приостанавливал] (https://secretmag.ru/news/volkswagen-snova-priostanovit-zavod-v-rossii-iz-za-nekhvatki-chipov-02-09-2021.htm) работу. АвтоВАЗ также в течение лета несколько раз прекращал производство некоторых моделей.

Из-за дефицита пришлось [отложить] (https://secretmag.ru/news/obyazatelnuyu-ustanovku-glonass-otlozhili-iz-za-deficita-mikroskhem-24-08-2021.htm) обязательную установку системы ГЛОНАСС на выпускаемых на территории Европейского экономического союза (ЕАЭС) автомобилях.

В компании Boston Consulting Group (BCG) ожидают, что стабилизация наступит не раньше второго полугодия 2022-го.

Мнение

Миллиардер Илон Маск сравнил дефицит микрочипов, с которым столкнулся мир в 2021 году, с нехваткой туалетной бумаги, которую пережили многие страны в начале пандемии коронавируса. Несмотря на столь несерьёзную аналогию, проблема с поставками полупроводников, по признанию миллиардера, стала «самым большим вызовом для Tesla». Маск отметил, что «никогда не видел ничего подобного».

Как выглядит полупроводник в автомобиле

Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные, блокчейн или танцующие (псевдо)роботы Илона Маска, недавно писал Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название Кремниевой долине, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023−2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,9% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводниковые приборы в автомобиле

Использование одного или нескольких p-n-переходов в одном кристалле полупро­водника позволяет создавать недорогие, надежные и компактные полупроводниковые приборы. Вот о том, какие полупроводниковые приборы получаются при использовании p-n-переходов, мы и поговорим в этой статье.

1. Диоды
   • Выпрямительный диод
   • Выпрямительный диод для высокого обрат­ного напряжения
   • Переключательный диод
   • Диод Зенера
   • Варикап
   • Диод Шотки
   • Солнечный элемент
   • Фотодиод
   • Светодиод (LED)
2. Биполярные транзисторы
   • Работа биполярного транзистора
3. Полевые транзисторы
   • Работа обедненного слоя (управляющего р-n-перехода) полевого транзистора с управляющим р-n переходом
   • Работа MOS-транзистора
   • р-канальные MOS-транзисторы, n-канальные MOS-транзисторы и CMOS-транзисторы
   • Гибридная технология BCD

Один p-n-переход образует диод, два p-n-перехода используются в транзисто­рах. Планарная технология позволяет соче­тать в одном кристалле различные элементы и формировать интегральные полупрово­дниковые микросхемы. Полупроводниковые микросхемы занимают от одного до сотен квадратных миллиметров и обычно устанав­ливаются в стандартные оболочки (металли­ческие, керамические, пластиковые).

Диоды

Диод — полупроводниковое устройство, содер­жащее один p-n-переход. Свойства единич­ного диода определяются схемой распределе­ния легирующей примеси в кристалле. Диоды, способные пропускать в прямом направлении ток более 1 А, считаются силовыми.

Пример HTML-страницы

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод действует как одно­именная электронная лампа — пропускает ток в одном направлении, т.е. идеально под­ходит для выпрямления переменного тока. Обратный ток бывает приблизительно в 10 7 раз меньше, чем ток в прямом направлении (рис. «Вольтамперная характеристика кремниевого диода» ). Он сравнительно быстро возрастает при повышении температуры.

Выпрямительный диод для высокого обрат­ного напряжения

Напряжение в выпрямителях с высоким об­ратным напряжением падает в области про­странственного заряда. Так как эта область, как правило, размером всего несколько микрон, для нее характерна высокая напряженность электрического поля, при которой свободные электроны могут значительно ускоряться. Уско­ренные электроны могут привести к разрушению полупроводника (лавинный пробой). Чтобы из­бежать этого, между р- и n-слоями размещают слой с собственной проводимостью, так как этот слой содержит некоторое количество свободных электронов, что снижает опасность пробоя.

Переключательный диод

Переключательный диод обычно используется для бы­строго переключения между высоким и низким полными сопротивлениями. Более быстрая ха­рактеристика переключения может достигаться путем диффузии золота в материал (обеспе­чивает электронно-дырочную рекомбинацию).

Диод Зенера

В диоде Зенера при достижении некоторого начального уровня обратного напряжения происходит резкое возрастание электриче­ского тока. Это явление соответствует пробою Зенера (туннельный пробой p-n-перехода) и/ или лавинному пробою. Диоды Зенера пред­назначены для непрерывной работы в режиме пробоя. Они часто используются для обеспе­чения постоянного или опорного напряжения.

Варикап

Область пространственного заряда в p-n-переходе функционирует как конденсатор. Диэ­лектрик конденсатора представляет собой полу­проводниковый материал, в котором отсутствуют носители заряда. Повышение напряжения рас­ширяет обедненный слой и уменьшает емкость, а уменьшение напряжения ее повышает.

Диод Шотки

Имеет переход типа металл-полупроводник (барьер Шотки). Поскольку электроны более свободно перемещаются из кремния n-типа в металлический слой, а не наоборот, область, обедненная электронами, становится полу­проводниковым материалом — это и есть «ба­рьер Шотки». Заряды переносятся исключи­тельно электронами, при этом незначительное число переносчиков не позволяет заряду на­капливаться, результатом чего является очень быстрое переключение. Прямое напряжение и, следовательно, падение напряжения в диодах Шотки примерно на 0,3 В меньше, чем в крем­ниевых диодах (примерно 0,6 В).

Солнечный элемент

Фотогальванический эффект используется для преобразования световой энергии не­посредственно в электрическую. Солнечные элементы, состоящие, главным образом, из полупроводниковых материалов, в которых на свету образуются свободные носители заряда, — основные элементы фотогальвани­ческой технологии.

Воздействие света может привести к образованию свободных носителей заряда (электронно-дырочной пары) в полу­проводнике. Если полупроводник содержит p-n-переход, свободные носители заряда раз­деляются в его электрическом поле перед тем, как воздействовать на металлические кон­такты на поверхности полупроводника. Посто­янное напряжение (напряжение фото сигнала) возникает между контактами. В зависимости от используемого материала полупрово­дника электрический потенциал изменяется в интервале от 0,5 до 1,2 В. Это происходит только тогда, когда кванты света обладают, по крайней мере, энергией, необходимой для создания электронно-дырочной пары. Теоре­тический КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов составляет около 30%.

Фотодиод

В фотодиоде используется фотогальва­нический эффект, р-n-переход работает в обратном направлении. Падающий свет соз­дает дополнительные электроны и дырки. Это приводит к пропорциональному росту обратного (фотогальванического) тока в за­висимости от интенсивности света. Таким об­разом, фотодиод, в принципе, очень похож на солнечный элемент.

Светодиод (LED)

Светоизлучающий диод, или светодиод пред­ставляет собой электролюминесцентный ис­точник света, состоящий из полупроводни­кового элемента с p-n-переходом. Во время работы носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют в прямом направлении. Вы­свобождаемая в ходе этого процесса энергия преобразуется в энергию электромагнитного излучения.

В зависимости от выбора полупроводника и его легирования светодиод излучает в ограниченном спектральном диапазоне. Как правило, используются арсенид галлия (ин­фракрасный спектр), арсенидфосфид галлия (от красного к желтому) и фосфид галлия (зеленый) и нитрид индия-галлия (синий). Для генерирования белого света исполь­зуется либо комбинация трех светодиодов основных цветов (красный, зеленый, синий), либо осуществляется возбуждение люми­несцентной краски при помощи светодиода, излучающего синий свет или свет в ультра­фиолетовом диапазоне.

Биполярные транзисторы

Два смежных р-n-перехода создают тран­зисторный эффект, который используется в компонентах, предназначенных для усиления и переключения электрических сигналов. Имеются три различных зоны проводимо­сти, при этом могут использоваться схемы как р-п-р, так и п-р-п. Зоны (и их выводы) называются эмиттером (Е), базой (В) и кол­лектором (С) (рис. «Транзистор n-р-n типа» ).

В зависимости от области применения транзисторы разделяются на различные классы: транзисторы малой мощности (рассе­иваемая мощность до 1 Вт); силовые транзи­сторы, коммутирующие транзисторы; высо­кочастотные транзисторы; СВЧ-транзисторы; фототранзисторы. Они называются биполяр­ными, потому что в транзисторном эффекте принимают участие носители заряда обеих полярностей (дырки и электроны).

Работа биполярного транзистора

Работа биполярного транзистора поясня­ется на примере транзистора п-р-п-типа (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Транзистор p-n-p-типа получа­ется аналогично, путем переключения n- и р-легированных зон.

Эмиттерный переход (ЕВ) — прямо включен­ный, показан на рис. «Транзистор n-р-n типа» , в, как диод, включен­ный между базой В и эмиттером Е. При доста­точно высоком напряжении U_ве электроны инжектируются в область базы, и через тран­зистор протекает ток базы.

Пример HTML-страницы

Коллекторный переход — обратно вклю­ченный, показан на рис. «Транзистор n-р-n типа» , в, как диод, вклю­ченный между базой В и коллектором С. Это создает область пространственного заряда в районе р-n-перехода между базой и коллек­тором с высокой напряженностью электри­ческого поля.

Благодаря включенному в обратном на­правлении диоду между базой и эмитте­ром, из эмиттера в базу течет большой ток, состоящий из электронов. Однако только небольшая часть электронов может реком­бинировать со значительно меньшим коли­чеством дырок и утекать через вывод базы, как ток базы I_в. Следует иметь в виду, на рис. «Транзистор n-р-n типа» показано техническое направление тока, т.е. направление движения носителей положительного заряда. Значительно боль­шее количество электронов, инжектирован­ных в базу, диффундирует через зону базы в переход база-коллектор и затем проходит к коллектору, как ток коллектора I_с (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Поскольку диод «база-коллектор» включен в обратном направлении, и преобладает об­ласть пространственного заряда, практиче­ски все (приблизительно 99 %) электроны, вытекающие из эмиттера, «вытягиваются» сильным электрическим полем, имеющим место в области пространственного заряда из коллектора. При этом имеет место при­близительно линейная зависимость между током коллектора I_с и током базы I_в:

где значение В (коэффициент усиления по току) составляет обычно от 100 до 800. В би­полярном транзисторе имеет место также следующее соотношение для тока эмиттера I_Е (см. рис. «Транзистор n-р-n типа» и «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ):

В связи с тем, что I_в за счет коэффициента усиления по току В значительно меньше, чем I_с:

Очень тонкий (и относительно низколеги­рованный) слой базы представляет собой барьер, проводимость которого может регу­лироваться посредством изменения напря­жения база-эмиттер U_ВЕ. Путем небольших изменений U_ВЕ и тока базы I_в, можно управ­лять значительными изменениями тока кол­лектора I_с и напряжения коллектор-эмиттер U_CE. Таким образом, малые изменения I_в вызывают значительные изменения тока коллектора I_с. Транзистор п-р-п-типа явля­ется биполярным, управляемым током полу­проводниковым усилителем. В целом имеет место усиление мощности.

Выходные характеристики транзистора п-р-п-типа показаны на рис. «Выходные характеристики транзистора n-р-n типа«. Начиная с напряжения насыщения U_СЕ, равного при­близительно 0,2 В, ток коллектора I_с зависит практически только от тока базы I_в. Эта об­ласть имеет название «активной зоны»: здесь U_CE практически не оказывает влияние на I_с, и имеет место следующее соотношение:

Область, которой напряжение коллектор- эмиттер ниже напряжения насыщения, на­зывается «зоной насыщения». В этой зоне /_с резко возрастает с увеличением U_СЕ.

Полевые транзисторы

Управление током в полевых транзисторах (FET) осуществляется электрическим полем, которое генерируется напряжением, при­кладываемым к управляющему электроду (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» ). В полевых транзисторах использу­ется только один тип носителей заряда (элек­тронов или дырок), поэтому их называют также «униполярными». Существуют следу­ющие виды полевых транзисторов: полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (FET, JFET) и полевые транзисторы с изо­лированным затвором, в частности полевые MOS-транзисторы (на основе структуры металл-оксид-полупроводник).

Полевые MOS-транзисторы хорошо подхо­дят для применения в интегральных схемах с высокой степенью интеграции. Полевые транзисторы большой мощности во многих случаях представляют серьезную альтерна­тиву биполярным транзисторам.

Пример HTML-страницы

Преимущества биполярных и полевых транзисторов используются в силовых электронных элементах, известных под на­званием «биполярные транзисторы с изо­лированным затвором» (IGBT), которые де­монстрируют низкое сопротивление (малые потери мощности) и сравнительно низкую мощность, требуемую для управления.

Работа обедненного слоя (управляющего р-n-перехода) полевого транзистора с управляющим р-n переходом

Работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом поясняется на примере тран­зистора с каналом n-типа (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа«). Выводы полевого транзистора имеют названия затвор (G), исток (S) и сток (D).

Положительное прямое напряжение U_DS приложено к концам кристалла p-типа. При этом электроны движутся от истока (S) к стоку (D) по каналу, ширина которого опреде­ляется двумя поперечно-диффундирующими областями p-типа и отрицательным напряже­нием затвор-исток U_GS. Таким образом, на­пряжение U_GS между затвором (G) и истоком (S) управляет величиной тока I_D между ис­током и стоком (D).

Для работы полевого транзистора тре­буются носители заряда только одной по­лярности, а мощность, необходимая для управления током, фактически равна нулю. Таким образом, полевой транзистор с управ­ляющим p-n-переходом представляет собой униполярный, управляемый напряжением компонент. Увеличение U_GS вызывает расши­рение областей пространственного заряда и их внедрение в каналы, что приводит к суже­нию канала и, следовательно, к ограничению пути тока (показано на рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» пунктирными линиями). Если напряжение U_GS на затворе равно нулю, сечение канала между двумя зонами p-типа не ограничено, и ток I_D стока D к истоку S имеет максимальное значение.

Кривая переходной характеристики, т.е. I_D в функции U_GS выглядит точно так же, как характеристическая кривая самопроводящего полевого транзистора с каналом n-типа (NM0S), как показано на рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа«.

Работа MOS-транзистора

Работа MOS-транзистора (металл-оксид- полупроводник) поясняется на примере самоблокирующегося (обогащенного типа) канала n-типа M0SFET (рис. «Сечение полевого MOS-транзистора с каналом n-типа» ). Если к электроду затвора никакого напряжения не прикладывается, между истоковой и стоко­вой областями ток протекать не будет: р-п-переход остается закрытым. Подача поло­жительного напряжения на затвор вызывает, за счет электростатической индукции, в зоне p-типа под этим затвором, смещение дырок внутрь кристалла, а электронов, которые всегда присутствуют в кремнии р-типа, как вторичные носители заряда, притягиваются к поверхности. Под поверхностью кристалла формируется узкий слой (канал) n-типа. Теперь электрический ток может проходить между двумя n-областями (исток и сток). Он обеспечивается исключительно электронной проводимостью. Поскольку напряжение за­твора подается на изолирующий оксидный слой, то в управляющей цепи ток отсутствует, и мощности на выполнение управляющих функций не требуется.

Для перезарядки емкости затвора требуется только активировать и деактивировать напряжение. В целом MOS-транзистор представляет собой унипо­лярный, управляемый напряжением элемент. В случае самопроводящего канала n-типа MOS-транзистора (обедненного типа, см. рис. а, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ), напряжение затвор-исток U_GS нахо­дится в диапазоне от отрицательного порого­вого напряжения U_T до нуля вольт (рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ). При U_GS = 0 В самопроводящий канал n-типа MOS-транзистора имеет канал, проходящий ниже затворов, позволяющий протекать току. На рис. «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» , с показана зависимость I_D от U_GS, где цепь находится в активной зоне с достаточным и постоянным напряжением U_DS. Переходная характеристика представляет собой параболу. В отличие от MOS-транзистора с самопроводящим каналом самоблокирующийся канал MOS-транзистора n-типа (см. рис. Ь, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ) прово­дит только при U_T > 0 В (см. рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ). Самоблокирующиеся полевые MOS-транзисторы получили значительно большее распростране­ние, чем самопроводящие MOS-транзисторы.

Выходная характеристика самоблокирую­щегося полевого MOS-транзистора с каналом n-типа представлена на рис. «Выходная характеристика канала n-типа полевого MOS-транзистора«. Область, лежа­щая ниже кривой напряжения насыщения U_K, т.е. область, в которой U_DS < U_K в связи с линей­ным характером характеристической кривой, называется линейной или омической областью. Здесь полевой MOS-транзистор ведет себя по­добно омическому сопротивлению. В области, лежащей выше кривой напряжения насыщения U_K, т.е. в области, в которой U_DS > U_K, выходной ток I_D практически не зависит от напряжения исток-сток U_DS. Эта область известна под на­званием области отсечки. Величина I_D зависит только от напряжения затвор-исток U_GS. Рас­считывается по формуле:

К — коэффициент пропорциональности (среди прочего зависящий от технологии изготовления),

U_T — пороговое напряжение, начиная с которого транзистор начинает про­водить ток, т.е. при котором образуется канал (см. рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ).

р-канальные MOS-транзисторы, n-канальные MOS-транзисторы и CMOS-транзисторы

Пример HTML-страницы

Так же как для n-канальных MOS-транзисторов, смешанное легирование дает р-канальный MOS-транзистор. Так как элек­троны в n-канальном MOS-транзисторе более подвижны, он работает быстрее по сравне­нию с р-канальным MOS-транзистором.

Также применяется технология, основан­ная на соединенных попарно р-канальных и n-канальных MOS-транзисторах в одном крем­ниевом кристалле. Такие устройства называ­ются комплементарными MOS-транзисторами (CMOS-транзисторами, см. рис. «CMOS-инвертор на основе p-MOS и n-MOS структур» ). Особен­ными преимуществами CMOS-транзисторов можно назвать крайне низкое рассеивание энергии, высокую степень устойчивости к по­мехам, относительную нечувствительность к изменению напряжения питания.

Гибридная технология BCD

Все более важную роль начинают играть интегрированные структуры для силовой электроники. Такие структуры реализуются путем объединения биполярных и M0S-компонентов в одном кремниевом чипе, что позволяет использовать преимущества обеих технологий. Гибридная технология BCD, ис­пользуемая для получения силовых MOS-компонентов (DMOS-структуры), играет важ­ную роль в автомобильной электронике. Эта технология представляет собой комбинацию CMOS и DMOS-технологий.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: