Анализ особенностей типовых конструкций полевых транзисторов с изолированным затвором



This paper presents an analytical review of field-effect transistors. We consider their application. Special attention is given to consideration of the typical structures of field-effect transistors and their basic characteristics. On the basis of research with the main prospects for the development of field-effect transistors in Russia.

Keywords: field-effect transistor, topology, integrated structure

Актуальность работы обусловлена тенденциями развития рынка производства вспомогательных микросхем с проектными нормами 90 нм [1]. Усовершенствование характеристик и технологий производства, непрерывное повышение требований к качеству и надежности, позволяет создавать конкурентоспособную на мировом рынке элементную базу полевых транзисторов, которые в свою очередь по своим характеристикам, а именно наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями и температурами, большими токами и значительной мощностью, превосходят биполярные транзисторы [2, 3].

Полевые транзисторы — это полупроводниковыйприбор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением. По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы (ПТ) делят на две группы: с управляющим p — n переходом и с изолированным затвором, о которых дальше будет идти речь [2].

Особенностями применения ПТ являются: мгновенная скорость переключения, и почти полное отсутствие потребление тока в статическом режиме.

Полевые транзисторы, из-за ряда своих характеристик, широко используются в силовой электронике. Они позволяют управлять большими токами и при малой мощности управления обеспечить высокую скорость переключения, что делает их почти «идеальными переключателями». Большое количество разнообразных структур и технологических решений позволило расширить диапазон применения ПТ в цепях питания от низковольтных устройств до высоковольтных. Низковольтные ПТ, рассчитанные на напряжения до 30 В, массово используются в цепях питания ноутбуков, планшетов, принтеров, персональных компьютеров, серверов, в электроинструментах с питанием от аккумуляторных батарей [2, 4].

Основные области применения полевых транзисторов среднего напряжения (40…300 В) во многом пересекаются с низковольтными, но при повышенных уровнях мощности и напряжения на оборудовании [2]. Для работы в разнообразной аппаратуре с питанием от сети переменного тока 110 В или 230 В в сетевых источниках электропитания, светотехнике, бытовой и промышленной технике используются ПТ с допустимыми напряжениями от 500 В и выше [5–7].

Однако, до сих пор остаются нерешенными проблемы — кремниевые полевые транзисторы почти достигли предела своих возможностей, в связи с этим толчок получили такие направления: разработка новых моделей корпусов и модулей, применение альтернативных материалов подложки. В статье приведены данные по сравнению разного типа корпусов, которые позволили увеличить показатели полевых транзисторов, и данные по сравнению характеристик полевых транзисторов, изготовленных на подложке из альтернативных материалов

Цель работы— провести аналитический обзор ПТ, рассмотреть их типовые структуры и их основные характеристики, дать рекомендации по направлениям развития элементной базы на основе полевых транзисторов.

В работе при помощи метода сравнения основных характеристик и технологических особенностей обозначены ключевые преимущества и недостатки базовых структур полевых транзисторов. Проанализированы основные особенности структур полевых транзисторов и области их применения.

Использование полевых транзисторов значительно облегчает решение задач, связанных с питанием электронных устройств, увеличением производительности и эффективности.

1. Анализ основных структур полевых транзисторов сизолированным затвором
   1. Классическая структура MOSFET транзистора

Полевой транзистор, у которого затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика, получил сокращенное название — MOSFET — (от слов «металл — окисел — полупроводник — транзистор — управляемый — электрическим полем», англ. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), в русскоязычной литературе встречается как МОП-транзистор (от слов «металл — окисел — полупроводник»). Подразделяются такие транзисторы на две категории: с индуцированным и с встроенным каналом.

Классическая структура МОП — транзистора с индуцированным каналом n–типа представлена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. MOSFET транзистор с индуцированным каналом n–типа

Подложка выполнена из полупроводника р — типа, т. е. легирована акцепторной примесью и потому обладает дырочной проводимостью. Области стока и истока сильно обогащены донорной примесью (электронная проводимость) и имеют обозначение n+. Затвор изолируется от подложки слоем оксида кремния (SiO2).

Если на область затвора подать положительный потенциал, то между выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле, которое, в свою очередь, будет притягивать отрицательно заряженные свободные электроны из подложки к приповерхностному слою. После того как в приповерхностном слое накопится достаточно электронов, образуется так называемый канал, который проводит электрический ток. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал исчезает и транзистор закрывается.

Полевой транзистор с индуцированным каналом отличается от полевого транзистора со встроенным каналом тем, что он открывается только при определенном значении напряжении на затворе, называемым пороговым напряжением. Полевой транзистор со встроенным каналом открывается уже при «U = 0» и при дальнейшем увеличении этого значения переходит в режим обогащения, при этом ток стока увеличивается.

1.2 История развития МОП-транзисторов

Первые образцы полевых транзисторов были маломощными. Рассеиваемая мощность 100–150 Вт, рабочие токи — 10–20 мА, максимальное напряжение на стоке 15 В — 20 В, время переключения исчислялось долями микросекунд. Прошло немало времени, прежде чем параметры полевого транзистора позволили использовать его в высоконагруженных цепях.

Первым серийным мощным МОП-транзистором можно считать советский КП901 [10]. Он имел ток стока до 2 А и максимальное напряжение 65 В. Доработанный впоследствии КП902 имел время переключения около 1 нс, а самый мощный из этой серии КП904 обладал рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А, и отдаваемую на частоте 60 МГц мощность до 50Вт.Структура первых мощных советских МОП — транзисторов представлена на рисунке 2

Рис. 2. Структура первых мощных советских МОП-транзисторов

В 70–80 годах прошлого столетия было проведено немало экспериментов со структурой МОП-транзисторов. На основе результатов таких экспериментов были разработаны транзисторы с V-образной структурой, представленной на рисунке 3. Пропускная способность канала в таком МОП-транзисторе определялась не длиной, а его шириной. Такая структура создавалась методом анизотропного травления. Минусом этой структуры является то, что электрическое поле локализовалось под канавкой, а это приводит к снижению максимальных рабочих напряжений.

Рис. 3. МДП — транзистор с V — образной структурой

Развитием данной технологии вызвало появление МОП-транзисторов с U-образной канавкой. Это снизило локализацию поля. Металлизация сверху и снизу улучшила теплоотвод и снизила сопротивление затвора.

Дальнейшие эксперименты со структурами МОП-транзисторов привели к появлению SIMPOS — транзисторов, структура которых показана на рисунке 4 (ttp://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml), (разработанные фирмой Siemens (www.siemens.com)).

Рис. 4. Структура SIMPOS-транзистора фирмы Siemens

Фирмой InternationalRectifler разработан МОП-транзистор с гексагональной структурой ячейки — HEXFET, эта технология стала самой популярной технологией производства, рисунок 5 (http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml).

Рис. 5. Структура HEXFET-транзистора

Сплошная металлизация с двух сторон увеличивает емкость и заметно снижает время переключения, однако при этом позволяет уменьшить сопротивление стока — истока и позволяет получать большие токи стока.

2. Конструктивный анализ современных MOSFET-транзисторов

Важным элементом MOSFET транзисторов является корпус. Оптимальное сочетание кристалла и корпуса обеспечивает создание по-настоящему эффективного устройства [8]. Большое внимание этому уделяет компания IR. Технологичным прорывом стала технология DirectFET, обеспечивающая двусторонний отвод тепла. Прямой контакт кристалла, платы и корпуса обеспечивает низкое тепловое и электрическое сопротивление корпуса, высокие показатели по компактности изделия. МОП-транзистор изображен на рисунке 6.

Рис. 6. МОП-транзистор, изготовленный по технологии DirectFET

Корпуса марки S0–8 менее эффективны, чем DirectFET, но они позволяют размещать одновременно два мощных транзистора и диода, а теплоотвод уменьшать путем подключения стока и истока одновременно к трем выводам, рисунок 7. (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet)

Рис. 7. Транзистор в корпусе S0–8

Корпуса для плотного монтажа PQFN за счет клипсы обладают меньшим тепловым сопротивлением, чем SO-8, но большим чем у DirectFET, рисунок 8 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 8. Транзистор в корпусе PQFN

Из выше перечисленного получается следующая зависимость сложности монтажа от тепловых характеристик, рисунок 9 (http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet).

Рис. 9. Зависимость сложности монтажа различных корпусов от тепловых характеристик

Данные типы корпусов позволяют создавать полевые транзисторы под разные задачи, от низковольтных до высоковольтных. Перспективные серии устройств с высоким КПД FastIRFET, и помехоустойчивостью StrongIRFET, выполнены именно в этих корпусах.

3. Анализ основных направлений развития полевых транзисторов сиспользованием альтернативных полупроводниковых материалов

В связи с тем, что MOSFET транзисторы потенциально достигают предела своих возможностей, их развитие частично перешло на усовершенствование корпусов, перечисленных выше, и эксперименты с компоновкой. Многие считают, что развитие технологий с применением новых полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны шире, чем у кремния и относительно большей подвижностью заряда, является основным.

Ученые GE (www.ge.com/ru) развивают технологии по использованию карбида кремния. GE планирует использовать новый завод для производства микросхем, которые будут установлены на оборудовании компании — от насосов для перекачки нефти и газа до МРТ-сканеров. Мерфелд и Стеванович считают (http://gereports.ru/post/126512633745/tehnologija-izgotovlenija-mikroshem), что эта технология позволит повысить эффективность поездов, самолетов и автомобилей на 10 %, снизить энергопотребление центров обработки данных на 5 % и повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций более чем на 1 %. Структура ПТ на основе карбида кремния изображена на рисунке 10.

Рис. 10. Структура транзистора на основе карбида кремния

Пробой у таких транзисторов происходит при напряженности на порядок выше, чем у классических полевых транзисторов, выполненных на кремниевой подложке. Удельное напряжение по разным оценкам примерно в 400 раз меньше, что позволяет получать транзисторы с малым сопротивлением сток — исток в открытом состоянии. Опытные приборы, изготовленные по технологии LDMOS, позволяют получать напряжение на стоке до 10кВ. Пуск данного типа устройств в серийное производство — задача будущего. Альтернативным решением применения карбида кремния является использование нитрида галлия. Полевые транзисторы, изготовленные с использованием нитрида галлия не уступает по характеристикам полевым транзисторам, изготовленных из карбида кремния.

Классификация областей применения в виде mindmap представлена на рисунке 11.

Рис. 11. Классификация областей ПТ с использованием альтернативных полупроводниковых технологий

Основными областями применения полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов должны стать системы, где эффективность, и энергоэффективность является главным, критическим параметром, например: солнечные батареи, ветряные электростанции, автомобили, поезда, самолеты, а также системы, где снижение энергопотребления является главной задачей, а именно: центры обработки данных и т. д.

4. Сравнение характеристик полевых транзисторов, изготовленных на кремниевой подложке иизготовленных сприменением альтернативных полупроводниковых материалов.

Приведем сравнение по некоторым показателям арсенид-галлиевого ПТ с традиционным ПТ, выполненным с использованием кремния.

Таблица 1

Сравнение характеристик ПТ

Полевые транзисторы, изготовленные на подложке сиспользованием кремния	Полевые транзисторы, изготовленные сприменением арсенида галлия
Сопротивление открытого канала при напряжении пробоя 200В
7мОм/см2	0.7мОм/см2
Показатель Rds(on)x OgFOM, мОм х нКл
30 мОм х нКл	5 мОм х нКл
Размер площадки, которую занимает устройство, частота работы, при токе нагрузки 10 А
15 х 15 мм, 1 МГц	7 х 9 мм, 5 МГц
КПД % при токе нагрузки 10 А
88 %	91 %

ПТ с применением альтернативных полупроводниковых материалов значительно превосходят характеристики своих кремниевых аналогов. У этих устройств имеется огромный потенциал, равносильный тому потенциалу, который был у классических ПТ в 80е-90е годы прошлого столетия. Однако имеется еще большой спектр задач, связанный с производством таких структур. Технологический процесс изготовления ПТ на основе карбида кремния насчитывает около 300 операций, откуда следует вывод о том, что дороговизна и сложность технологического процесса изготовления является главным препятствием массового использования данного типа устройств в современном приборостроении.

Заключение

В связи с тем, что близок потенциальный порог характеристик полевых транзисторов, изготовленных с применением Si, будущее остается за применением новых технологий с использованием альтернативных полупроводниковых материалов, которые позволяют создавать полевые транзисторы с характеристиками, намного превосходящими характеристики классических ПТ. Основной задачей, на которую состоит сделать акцент, является задача удешевления производства, уменьшение процента брака, а именно: отработка технологического процесса изготовления современных полевых транзисторов с применением альтернативных полупроводниковых материалов.

В данной статье был проведен краткий обзор информации о классической структуре полевого транзистора, определены его основные элементы и функциональные возможности. Была рассмотрена история развития данных полупроводниковых приборов и основные технологические решения, применяемые для их изготовления. Также были приведены перспективные направления разработки представленных полупроводниковых приборов.

Литература:

1. Аверьянихин А. Е., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Интегрированная система мониторинга национальной нанотехнологической сети. Сборник аналитических материалов — Москва, РНЦ «Курчатовский институт». 2011. Том 2. 111 с.
2. Макарчук В. В., Родионов И. А. Проектирование электронной элементной базы наносистем — Москва. Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 5. 156 с.
3. Варламов П. И., Елсуков К. А., Макарчук В. В. Технологические процессы в наноинженерии — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2011. Сер. Библиотека «Наноинженерия». Том 2. 175 с.
4. Дронов Н. Н., Макарчук В. В., Макушина Н. В. Технологические процессы микроэлектроники — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2016. 24 с.
5. Amirkhanov A. V., Stolyarov A. A., Gladkykh A. A., Makarchuk V. V., Shakhnov V. A. A modifying algorithm of the topological VLSI layer by dummy filling features based on modeling the chemical-mechanical planarization // Russian Microelectronics. 2014. Т. 43. № 1. С. 72–79.
6. Глушко А. А., Родионов И. А., Макарчук В. В. Моделирование технологии изготовления субмикронных КМОП СБИС с помощью систем TCAD // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 4 (70). С. 32–34.
7. Макарчук В. В. Проектирование топологии биполярного планарно-эпитаксиального транзистора — Москва, Изд-во МГТУ им.Н. Э.Баумана. 2005. 20 с.
8. Амирханов А. В., Гладких А. А., Глушко А. А., Макарчук В. В., Новоселов А. С., Родионов И. А., Шахнов В. А. Разработка парадигмы проектирования СБИС с учетом результатов конструкторско-технологического моделирования // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 38–51.
9. Константин Староверов Новое поколение низковольтных MOSFET-транзисторов в корпусах SO-8, PQFN и DirectFET. Электронный ресурс. URL: http://www.compel.ru/lib/ne/2009/12/5-novoe-pokolenie-nizkovoltnyih-mosfet-tranzistorov-v-korpusah-so-8-pqfn-i-directfet. Дата обращения: 31.10.2016
10. Дьяконов Владимир Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор. Электронный ресурс. URL: http://www.power-e.ru/2011_3_18.php 20.10.2016. Дата обращения: 20.10.2016
11. Силовые полупроводниковые приборы. Силовые mosfet транзисторы. Бесплатная техническая библиотека. Электронный ресурс. URL: http://www.diagram.com.ua/list/elektriku/elektriku288.shtml. Дата обращения: 31.10.2016