Полупроводники в машине что это

Почему дефицит микросхем – это миф, но автокомпаниям и дилерам он выгоден

Марк Лю, глава одного из крупнейших производителей микрочипов в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC), который является поставщиком Apple, Intel, Qualcomm и AMD, развенчал миф о дефиците микросхем для автомобилей

В прошлом году автопром сильно пострадал из-за локдаунов. Автокомпаниям приходилось закрывать заводы, а дилерам – шоу-румы и торговать машинами буквально из-под полы. Словом все они понесли солидные издержки, а эти издержки нужно как-то покрывать. Но как? Просить помощи от государства? Оно конечно поможет, но долги придется отдавать. Резко поднять цены на автомобили? Покупатели не поймут, и продажи могут упасть еще сильнее. Выпускать больше машин и заработать за счет объема? Увы, рынок не бездонный и даже с учетом отложенного спроса может возникнуть затоваривание, а, следовательно, вновь придется нести убытки.

И на данном этапе рассуждений в голову какого-то менеджера приходит гениальная по своей простоте мысль: а что если создать искусственный дефицит? Все мы знаем, что происходит, когда возникает нехватка того или иного ходового товара, будь то гречка или туалетная бумага – покупатели начинают сметать его с полок по любой цене.

Аналогичная история повторилась и с автомобилями. Их вдруг стало не хватать, причем по всему миру. Покупатели же готовы были тратить деньги, которые накопились за счет отложенных поездок на отдых и «вертолетной» финансовой помощи от государства (в развитых странах). Машину захотели иметь даже те, кто раньше о ней и не думал: в постковидную эпоху личный транспорт стал своего рода «оберегом», защищающим человека от вирусов.

Словом спрос появился нешуточный, а вот машин сильно больше производиться не стало. А что делают продавцы, когда спрос превышает предложение? Правильно – повышают цены. Причем повышают ровно на столько, насколько покупатели готовы переплатить. Если есть люди, согласные взять новый Land Cruiser, на который дилер накинул миллион сверху, как-то странно продавать этот же внедорожник за официальный прайс.

Не знаю, кто начал эту спекулятивную игру первым – дилеры или сами автопроизводители, но она оказалась выгодна и тем и другим. Одни смогли быстро заработать и отбить убытки от локдауна, другие – стали делать больше машин в дорогих комплектациях, которые приносят наибольшую прибыль – ведь покупатель готов купить все, что ему дают. Плюс заводы получили заказы на месяцы вперед, а вместе с ними и уверенность в завтрашнем дне. Ну и зачем, спрашивается, им нарушать эту идиллию? Гораздо проще сослаться на мифический дефицит микросхем, оправдывая многомесячные очереди и улетевшие в космос цены на машины.

Хотя здесь тоже все не так просто. Ведь автоконцерны формально не причем, и винят во всех грехах производителей автокомпонентов – это им не хватает чипов. Тот же завод Bosch Самара, сорвавший поставки блоков ABS/ESP на конвейер АВТОВАЗа, прогремел на всю страну. И подумайте, стал бы немецкий бренд портить свою репутацию, только для того, чтобы автопроизводитель и его дилер смогли больше заработать на дефиците машин?

А может быть, чипы оседают на складах перекупщиков, которые тянут с поставками для того, чтобы тоже заработать? Такой вариант исключать нельзя. Более того, возможен даже «заговор» на уровне… правительств! И это не шутка: американцы уже давно хотели развернуть масштабное производство микросхем у себя дома, чтобы не зависеть от несговорчивого Китая и других азиатских поставщиков – а тут и повод подвернулся, под который можно запросить у государства дополнительные ассигнования на строительство новых заводов.

Источник

Горе от ума: на автозаводах заканчиваются микросхемы. Что такое «полупроводниковый кризис»?

В полушаге от беспилотной эры у мирового автопрома возник дефицит искусственного интеллекта. Вернее, «железа» для него — заводам не хватает микросхем!

П олупроводниковый кризис, а простыми словами — дефицит компьютерных «мозгов». Сюжет, достойный Азимова, Пелевина или братьев Вачовски, которые уже сестры. ­Постапокалиптический пейзаж, общество в цифровом делириуме, выживание отдельного человека полностью зависит от супергаджетов, которые не только добывают криптовалюту, но и обеспечивают доступ к таким жизненно важным ресурсам, как онлайн-магазины, виртуальные игры и автономный транспорт. Однако прогресс разогнался до таких скоростей, что уже недостаточно раз в год менять гаджеты на более мощную модель, обновления требуются ежедневно, поэтому в технику каждое утро нужно заливать не топливо, а дополнительные «мозги». Проблема только в том, что микросхем на всех не хватает. Кто достал хоть какие-то дополнительные чипы — имеет право шагнуть в завтра, а тому, кто не смог, дедушка Дарвин шлет воздушный поцелуй на прощание.

Эх, жаль ничего подобного пока не сочинили. Хотя реальность не менее изобретательна. Оцените цепочку событий и явлений. Начало 2020 года — коронавирус и вынужденная изоляция парализуют продажи автомобилей, заводы встают, автопроизводители отменяют заказы на комплектующие, включая и такие компоненты, как полупроводниковые микросхемы в составе всевозможных блоков управления. Освободившиеся квоты на микрочипы тут же разбирают производители электроники — у них-то как раз бум, только успевай штамповать ­ноутбуки, приставки, смартфоны и все, на чем можно запустить Zoom или видеоигры. Параллельно начинает взлетать курс биткоина и, следовательно, спрос на видеокарты для криптоферм. В структуре «потребления» полупроводниковых схем, по оценке компании IC Insights, производители компьютеров в ­2019—2020 годах занимали 32%, на смартфоны уходило 28% микрочипов, на бытовую электронику 14%, тогда как автомобили забирали всего 10%. Словом, из-за временной паузы в автопроме и появления лишних микросхем никто особенно не расстроился. Скорее даже наоборот.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Полупроводниковые технологии в автомобилестроении

Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

Электрическая проводимость твердых тел

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

Проводники (металлы)

В твердых телах содержится приблизительно 10 22 атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В ме­таллах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хоро­ших проводников она составляет примерно 10 6 См/см.

Диэлектрики (изоляторы)

Число свободных носителей заряда, обнару­живаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая про­водимость незначительна. Для хороших изо­ляторов она составляет примерно 10 18 См/см.

Полупроводники

Полупроводники по электрической проводи­мости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в от­личие от проводимости металлов и диэлек­триков — в значительной степени зависит от следующих факторов:

Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в ка­честве датчиков давления, температуры и света.

Легирование полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников

Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет че­тыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов крем­ния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко из­меняются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.

Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.

n-легирование

р-легирование

Введение примесных атомов с тремя валент­ными электронами (например, бор) обеспе­чивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кри­сталлической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электриче­ском поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно за­ряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и на­зывается кремнием р-типа.

Собственная электропроводность

Под действием температуры и света в необ­работанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, по­лучаемых легированием. Повышение темпера­туры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потен­циалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограни­чение температуры, которым могут подвер­гаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.

В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носи­телей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характе­ристиках практически всех полупроводнико­вых приборов.

p-n-переход

Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полу­проводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характери­стики большинства полупроводников.

р-n-переход без внешнего электрического напряжения

P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвиж­ного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).

Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного за­ряда, так как отрицательно заряженные атом­ные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов при­водит к тому, что n-область становится по­ложительно заряженной, так как в ней обра­зуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода U_D), противодействующая ми­грации носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал U_D создан за счет диффузии, и его невозможно непо­средственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.

В p-n-переходе образуется область с не­достаточным количеством подвижных носи­телей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напря­женность которого также зависит от внеш­него приложенного напряжения.

р-n-переход с внешним электрическим напряжением

Теперь можно описывать условия работы ди­ода, так как p-n-переход соответствует струк­туре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.

При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширя­ется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением мини­мального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количе­ством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.

Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярно­сти и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для рез­кого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного за­ряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они мо­гут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздей­ствия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрас­танию тока и вызывает лавинный пробой. До­полнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зене­ровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеров­ский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.

При подаче напряжения U в прямом направ­лении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область про­странственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направле­нии (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространствен­ного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивле­ние легированных слоев. Ток I возрастает экс­поненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может прои­зойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

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.

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.

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.

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.

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.

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, 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

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.

Источник