Материал: Москатов Электроника 2010

91 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

и они совместно образуют структуру тиристора. Это отражено на эквивалентной схеме БТИЗ, изображѐнной на рис. 6.1, где компонент VT2 – это паразитный транзистор.

Рис. 6.1. Эквивалентная схема БТИЗ При высокой скорости переключения компонента или при протека-

нии по выводам коллектор-эмиттер короткого импульса тока большой амплитуды и прочего структура тиристора в БТИЗ может самопроизвольно перейти в открытое состояние. При этом БТИЗ теряет управляемость, и транзистор, как и устройство, в котором он работал, могут выйти из строя.

Прикладывая отпирающее напряжение к выводам затворэмиттер, БТИЗ из отсечки переводят в состояние насыщения, сопротивление коллектор-эмиттер падает, и по этим выводам течѐт ток нагрузки. Если напряжение затвор-эмиттер отсутствует, то транзистор имеет состояние отсечки, в котором ток через выводы коллек- тор-эмиттер практически отсутствует. Таким образом, БТИЗ – это полностью управляемые компоненты. Современные силовые модули БТИЗ выдерживают прямой ток коллектора силой до 1,8 кА, напряжение коллектор-эмиттер в закрытом состоянии до 4,5 кВ. БТИЗ

92 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

обычно используют в качестве электронных ключей в импульсных преобразователях, например, инверторных сварочных аппаратов, в системах управления электродвигателями и т.д.

Дополнительную информацию о БТИЗ можно почерпнуть в литературе [44, с. 579 – 582].

6.2. Конструкция и принцип действия БТИЗ

Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Структура БТИЗ Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому

присоединѐн вывод коллектора, расположена подложка p+, а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p- n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n+-слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры. Более удалѐнный

93 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

от подложки n–-слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p+ играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n–-слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора. Над n–-слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO2. В этой канальной p-области размещены n+-зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n–-область. Затвор структуры МОП-транзистора соединѐн с выводом затвора БТИЗ.

Если на затвор БТИЗ относительно эмиттера подать напряжение положительной полярности, отпирающее компонент, то это приведѐт вначале к открыванию под воздействием электрического поля структуры МОП-транзистора и инжекции электронов в еѐ канал. В результате возникает инжекция носителей заряда в n–-слой, служащий базой структуры биполярного p-n-p транзистора, которая переходит в состояние насыщения. Таким образом, вначале происходит отпирание структуры МОП-транзистора, а лишь затем структуры биполярного p-n-p транзистора. Сопротивление коллектор-эмиттер открытого БТИЗ имеет очень малую величину, а по выводу коллектора компонента течѐт ток нагрузки.

Если убрать поданное ранее отпирающее напряжение на выводы затвор-эмиттер БТИЗ, то канал в структуре МОП-транзистора исчезает, в n–-слое происходит снижение концентрации носителей зарядов ввиду рекомбинации. Рекомбинация – процесс не мгновенный; пока она идет, транзистор не закрыт. Лишь по завершении рекомбинации БТИЗ переходит в состояние отсечки.

94 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

6.3.Основные параметры БТИЗ

Кнаиболее важным параметрам IGBT относят следующее:

Длительность включения и выключения транзистора, мкс. Ёмкости затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер и затвор-коллектор при заданном напряжении коллектор-эмиттер, нФ.

Заряд затвора транзистора, нКл.

Максимально допустимая температура нагрева кристалла транзистора, °C.

Максимальная мощность рассеяния, Вт.

Напряжение насыщения, т.е. напряжение между выводами кол- лектор-эмиттер открытого транзистора, В.

Предельно допустимый импульсный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельно допустимый постоянный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельная скорость нарастания напряжения, не приводящая к самопроизвольному открыванию транзистора, dU / dt.

Тепловое сопротивление переход-корпус, °C / Вт. Энергии включения, выключения и переключения, мДж.

95Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

7.Тиристоры

7.1. Общая информация о тиристорах

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые компоненты, имеющие четыре и более слоя и три и более чередующихся электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы. У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.

Амплитуда максимального тока некоторых тиристоров может достигать десятков тысяч ампер, а напряжение анод-катод – нескольких киловольт. После включения между выводами анод-катод тиристоров присутствует остаточное напряжение величиной обычно от 1,2 В до 2,5 В.

7.2. Динисторы

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определѐнного напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рис. 7.1.