Мощные транзисторы со статической индукцией

       Транзисторы со статической индукции (СИТ-транзисторы)– это полевые транзисторы с управляющим р-п переходом с коротким вертикальным каналом. В СИТ-транзисторах также обеспечивается параллельное соединение каналов, причем каналы могут быть как п - типа, так и р - типа проводимости.

       Типичная структура мощного СИТ-транзистора с каналом п -типа проводимости приведена на рисунке 11.3. На пластинке кремния п -типа проводимости создаются области полупроводника р -типа в форме цилиндра, диаметр и длина которого составляют несколько микрометров. Эта система цилиндров играет роль затвора и электрически все они соединены параллельно. Вокруг затворов создаются р-п переходы (на рис.11.3 показаны штриховой линией), а области полупроводника между р-п переходами образуют каналы, по которым протекает ток стока.

Физические процессы в СИТ-транзисторе во многом аналогичны полевым транзисторам с управляющим р-п переходом. Действительно, при изменении напряжения на затворе относительно истока меняется ширина р-п

 

                                                    а)                              б)

Рис.11.3. Структура СИТ-транзистора вид спереди а) и вид сбоку б)

 

перехода, что приводит к изменению ширины канала и тем самым и тока стока. При некотором отрицательном потенциале на затворе р-п переходы могут перекрываться, канал исчезает и ток стока стремится к нулю.

В СИТ-транзисторах, в отличие от обычных, влияние напряжения на стоке носит другой характер. В СИТ-транзисторах длина канала очень мала и при протекание тока стока в канале практически не происходит падение напряжения и, поэтому, перекрытие канала в стоковом конце отсутствует, что имеет место в обычных полевых транзисторах. Поэтому рост напряжения стока сопровождается ростом тока стока и не наступает его насыщение. Кроме того, с увеличением напряжения на стоке уменьшается напряженность электрического поля в области между истоком и затвором. Оба эти фактора приводят к постоянному росту тока стока с ростом напряжения на стоке. Это сказывается на виде выходных (стоковых) вольтамперных характеристиках (рис.11.4). Как видно из рисунка, СИТ-транзистор представляет собой нормально открытый прибор, при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в открытом состоянии и имеет практически линейную вольтамперную характеристику. Для запирания транзистора на затвор необходимо подать достаточно большие напряжения отрицательной полярности. Такое свойство СИТ-транзистора затрудняет его применение в качестве электронного ключа. Однако благодаря малому входному сопротивлению и практически линейной стокозатворной характеристики СИТ-транзистор находит широкое применение для создания усилителей мощности звуковых сигналов высокого качества.

Разработаны разновидности СИТ-транзисторов, в которых технологическими приемами обеспечено закрытое состояние транзистора при нулевом напряжении на затворе. Благодаря этому такие СИТ-транзисторы переходят в режим работы, подобной работе биполярного транзистора. В этом режиме затвор играет роль базы. Такие СИТ-транзисторы получили название биполярные или БСИТ- транзисторы и они обладают хорошими ключевыми свойствами.

Поскольку СИТ и БСИТ-транзисторы относятся к разряду полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, то их маркировка и условно-графические обозначения такие же и определить СИТ-транзистор можно только по номеру разработки. Для примера, транзистор марки КП926 является

Рис.11.4. Статические стоковые характеристики СИТ-транзистора.

 

       СИТ-транзистором, работающим с током стока до 16А и напряжениям на стоке о 400В, а напряжение отсечки равно -15В. Транзистор марки КП955 является БСИТ-транзистором с нулевым напряжением отсечки, током стока до 25А и рабочим напряжением до 450В.

IGBT-транзисторы

       IGBT-транзистор – это гибридный полупроводниковый прибор, в котором совмещены два способа управления электрическим током, характерных для полевого (управление электрическим полем) и для биполярного (управление электрическим током) транзисторов. Входная цепь   IGBT-транзистора представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом п -типа, что обеспечивает высокое входное сопротивление, а выходная цепь представляет биполярный транзистор.

 Основой построения   IGBT-транзистора является ДМДП-транзистор, структура которого дополняется со стороны стокового вывода слоем полупроводника р -типа. На рисунке 11.5 приведен элемент структуры IGBT-транзистора. Заметим, что применительно к IGBT-транзисторам исток принято называть эмиттером, а сток – коллектором.

 

 

 

Рис.11.5. Структура IGBT-транзистора а) и его эквивалентная схема б).

 

 

          Как видно из структурной схемы, IGBT-транзистор имеет МДП-затвор и два биполярных транзистора структуры п-р-п, образованный на основе слоев п₁, р₁ и п₂, и структуры р-п-р, образованный на основе слоев р₁, п₂ и р₂. На рисунке 11.6, б приведена эквивалентная схема IGBT-транзистора. В эквивалентной схеме сопротивление R 1 является базовым сопротивлением транзистора VT2 (слой п ₂), а R 2 – базовым сопротивлением транзистора VT3 (слой р ₁). Биполярный транзистор VT3 в работе IGBT-транзистора обычно играет паразитную роль, так как совместно с транзистором VT2 образует схему диодного тиристора. Как известно, в этой схеме может возникнуть сильная положительная обратная связь, после чего

 

 

                         а)

 

                                                                                            б)                     

Рис.11.6. Условно графическое обозначение а) и эквивалентная схема IGBT-транзистора б).

 

IGBT-транзистор становится неуправляемым и может выйти из строя. Однако современные технологии позволяют надежно защитить IGBT-транзистор от тиристорного эффекта, так что транзистор VT3 можно исключить из эквивалентной схемы. Поэтому, в работе IGBT-транзистора основную роль играет только полевой транзистор VT1 и биполярный транзистор VT2.

       Основным достоинством IGBT-транзистора является значительное уменьшение сопротивления перехода эмиттер-коллектор в открытом состоянии. Это достигается сильной инжекцией дырок из слоя р ₂ (эмиттер транзистора VT2) в слой п ₂, транзистор VT2 насыщается и шунтирует сопротивление R 2. Малое сопротивление перехода эмиттер-коллектор в открытом состояние значительно уменьшает падение напряжения в нем, позволяет работать с большими выходными токами и значительно повышает КПД IGBT-транзистора,.

       Кроме того, IGBT-транзисторы характеризуются высокими значениями крутизны управляющей характеристики, которые могут составлять несколько десятков А/В. IGBT-транзисторы обладают высокой тепловой стойкостью, устойчивы к короткому замыканию нагрузки.

       Выходные вольтамперные характеристики IGBT-транзистора I_K = f (V_КЭ) при V_ЗЭ = const подобны выходным вольтамперным характеристикам биполярного транзистора, а управляющие характеристики I_K = f (V_ЗЭ) при V_КЭ = const подобны управляющим характеристикам полевого транзистора. Отметим, что IGBT-транзисторы могут работать с токами коллектора до сотни ампер, а напряжения V_КЭ могут достигать нескольких киловольт. Пороговое напряжение составляет обычно 5-6 В.

       Условно-графическое обозначение IGBT-транзистора приведена на рис. 11.6, а. Это обозначение подчеркивает гибридность IGBT-транзистора тем, что затвор изображается как в МДП-транзисторах, а выходные электроды эмиттер и коллектор изображены как в биполярном транзисторе.

 

Контрольные вопросы.

       1. Какие проблемы возникают при создании мощных полевых транзисторов и как они решаются?

       2. Как устроены мощные полевые транзистора ДМДП и VМДП типа?

       3. Как работают мощные полевые транзисторы со статической индукцией?

       4. Начертите эквивалентную схему IGBT транзистора и поясните его работу.

       5. Какими достоинствами характеризуются IGBT транзисторы?