Материал: Физические основы электроники

В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.

Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-тран- зисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы

156

имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150 °C (для биполярных транзисторов – 200 °C).

К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии его изготовления. Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний «паразитный» биполярный n–p–n-транзистор (рис. 4.12), образованный

n -истоком (эмиттер), p-областью инверсного канала (база) и эпитакси-

альным n слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-транзистора.

Рис. 4.12. Паразитные элементы структуры мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема базовой ячейки (б)

Для сохранения положительных свойств МДП-транзистора и исключения начала работы биполярного транзистора часть p-области всегда подключают к металлизированному контакту истока (это эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора). Биполярный транзистор оказывается запертым и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора. Однако быстрый спад или, наоборот, рост напряжения «сток–исток» полевого транзистора, что является обычным в динамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы.

Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент – обратновключенный диод. Поэтому МДПтранзистор проектируют таким образом, чтобы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.

157

4.6. Комбинированные транзисторы

Вред от паразитного биполярного транзистора в составе МДПтранзистора можно обратить в пользу, если к нему добавить еще один дополнительный биполярный транзистор обратного типа проводимости по отношению к паразитному. Такое компромиссное решение, позволившее объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора, представляет собой создание монолитной структуры, называемой IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor), т. е. биполярный транзистор с изолиро-

ванным затвором (БТИЗ). Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая

пластина с дырочной p -электропроводностью (рис. 4.13, а).

В результате получится комбинированная схема рис. 4.13, б, содержащая: МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и подключенный к нему еще один биполярный транзистор VT 2 . Образовавшаяся структура из транзисторов VT1 и VT 2 имеет положительную внутреннюю обратную связь, т. к. базовый ток транзистора VT1 является частью коллекторного тока транзистора VT 2 , и, наоборот, базовый ток транзистора VT 2 является частью коллекторного тока транзистора VT1.

Рис. 4.13. Структура IGBT (а) и ее эквивалентная схема (б)

Коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT 2 равны соответственно α1 и α2 .

Тогда токи коллектора и эмиттера определяются так:

158

Ток стока полевого транзистора определяется по выражению

С другой стороны, ток стока можно определить через крутизну S стокозатворной характеристики:

Всю рассмотренную схему можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора, который управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, но имеет по сравнению с ним значительно бόльшую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, здесь отсутствует явление вторичного пробоя, характерное для классических биполярных транзисторов.

Конструктивно IGBT выполняются в виде дискретных элементов (рис. 4.14, а) либо в виде силовых модулей (рис. 4.14, б), имеющих в своем составе несколько IGBT, выполненных в едином корпусе. Условное графическое изображение транзисторов представлено на рис. 4.14, в, г. На рис. 4.15 изображены типовые коллекторные характеристики (выходные).

Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзи- сторов, но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора и, как следствие, – со временем рассасывания этих носителей.

Процесс запирания IGBT представлен на рис. 4.16. Заряд, накопленный в базе биполярного транзистора, вызывает характерный «хвост» тока при выключении IGBT.

Как только имеющийся в составе IGBT полевой транзистор прекращает проводить ток, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей, которая является началом «хвоста». Этот «хвост»

159

ведет к увеличению тепловых потерь, а также его необходимо учитывать в мостовых схемах и вводить промежуток между интервалами проводимости двух ключей, установленных в одном плече моста. Для уменьшения «хвоста» необходимо снизить коэффициент усиления биполярного транзистора, но тогда увеличивается напряжение насыщения открытого IGBT и соответственно статические потери.

К

З

Э

К

З

Э

Рис. 4.14. Конструкции IGBT: дискретное (а) и модульное (б) исполнение; условное графическое обозначение: отечественное (в); зарубежное (г)

Рис. 4.15. Типовые коллекторные характеристики

Тем не менее, несмотря на отмеченные особенности, IGBT на сегодняшний день представляются самыми перспективными элементами для использования в качестве силовых управляемых ключей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.

160