1.16 Приборы силовой электроники

Мощные полевые транзисторы:

В соответствии с существующей классификацией, к мощным относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью более 3 Вт. Следует отметить, что разработаны и серийно выпускаются приборы с рабочими токами в тысячи ампер и рабочими напряжениями в тысячи вольт.

Первые мощные n-канальные МДПТ имели горизонтальную структуру. В соответствии с рисунком 1.59 транзисторы имеют протяженный участок стоковой n-области. Это обеспечивает высокие рабочие напряжения без опасности перекрытия короткого (около 5 мкм) канала. Структура поверхности этих приборов сильно разветвлена и имеет вид змейки, что позволяет увеличить ширину и этим добиться больших рабочих токов, исчисляемы амперами (у транзисторов КП904 и КП907).

Рисунок 1.59 – Структура мощного n-канального МДП-транзистора

с горизонтальной структурой

В упрощенном виде, ВАХ мощного ПТ в омической области описывается выражением

, (1.94)

где b – ширина канала;

l – длина канала;

- удельная емкость затвора.

Крутизна транзистора в пологой области в упрощенном виде описывается соотношением

. (1.95)

Фактически на работу мощных ПТ с горизонтальной структурой большое влияние оказывают различные физические эффекты: изменение канальной поверхностной подвижности µ_n и длины канала l, а так же влияние объемных сопротивлений r_И и r_C и явление электрического пробоя при больших напряжениях на стоке.

Лучших электрических параметров удается добиться при изготовлении МДП-транзисторов с вертикальной структурой. Структура VМДПТ имеет вид в соответствии c рисунком 1.60.

Такие транзисторы имеют малую длину канала l, определяемую толщиной p-области (порядка 1 мкм).

Рисунок 1.60 — Структура мощного n-канального VМДП-транзистора

Транзисторы имеют объемную n-область. В эту область вытесняется объемный заряд при высоких напряжениях U_СИ и заметно снижается сопротивление канала в открытом состоянии.

Транзисторы со статической индукцией:

Транзисторы со статической индукцией (SIT – Static Induction Transistor) являются разновидность полевых приборов с p-n-переходом.

Большие рабочие токи и большая рассеиваемая мощность достигаются использованием многоячеечной структуры канала и короткого канала, достигаемого вертикальным расположением истока и стока в соответствии с рисунком 1.61.

Рисунок 1.61 — Структура транзистора со статической индукцией (СИТ)

Рассматриваемый прибор имеет встроенный канал n-типа, состоящий из тысяч элементарных ячеек. Роль затвора играют области p-типа, имеющие форму цилиндров.

Характеристики СИТ приборов в соответствии с рисунком 1.62 напоминают ВАХ электровакуумных триодов.

Рисунок 1.62 – Вольт-амперная характеристика СИТ

При увеличении запирающего напряжения U_ЗИ области p-n-перехода расширяются и, следовательно, проводящий канал сужается, как и в обычном ПТ с p-n-переходом. Однако влияние напряжения сток-исток на ВАХ у СИТ проявляется по-иному. Падение напряжения на канале СИТ, вызванное протеканием тока стока не велико благодаря очень малой длине канала и не обладает заметным управляющим действием. Не происходит заметного расширения областей p-n-перехода за счет напряжения сток-исток и, следовательно, не формируется пологий участок ВАХ СИТ, как у обычных ПТ с p-n-переходом.

Фактически, при увеличении напряжения U_СИ уменьшается напряженность электрического поля в области затвора и истока, тормозящего электроны при их движении от истока к стоку. Увеличение напряжения сток-исток приводит к росту тока стока. Чем больше напряжение сток-исток, тем круче ВАХ. Это позволяет достигать очень малых дифференциальных сопротивлений канала R_i (долей Ома).

Передаточные характеристики СИТ в соответствии с рисунком 1.63 имеют протяженный линейный участок, что представляет интерес для разработки усилительных устройств большой мощности с малыми нелинейными искажениями (Hi-Fi - High Fidelity).

Рисунок 1.63 – Характеристика прямой передачи СИТ

Другой перспективной областью применения СИТ является силовая электроника, где транзисторы используются в ключевом режиме, реализуя очень высокие значения коэффициента качества

, (1.96)

при незначительной мощности, потребляемой цепями управления.

Если к управляющему входу СИТ приложить отпирающее напряжение, то он будет работать как биполярный транзистор. Такой режим позволяет расширить динамический диапазон, улавливаемых сигналов и добиться минимальных значений сопротивления канала. Однако, в этом случае будут проявляться и недостатки, присущие БТ: заметные мощности, потребляемые цепями управления и снижение быстродействия из-за явлений накопления и рассасывания неравновесных носителей заряда.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором:

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) являются гибридными полупроводниковыми приборами, сочетающими особенности биполярных и полевых транзисторов. Как биполярные транзисторы в IGBT транзисторов используется эффект инжекции носителей заряда, как полевые транзисторы со структурой МДП рассматриваемые приборы используют полевой эффект управления выходным током.

Устройства IGBT выполненного на основе МДПТ с индуцированным каналом n-типа имеют структурный вид в соответствии с рисунком 1.64, где также приведена эквивалентная электрическая схема.

В отличие от МДПТ, изготовленного методом двойной диффузии в IGBT приборе используется дополнительный слой полупроводника p-типа, играющего функцию коллектора. Прибор имеют вертикальную структуру, а верхний электрод называется эмиттером. Индуцированный канал образуется между n-областями, при подаче напряжения положительной полярности между затвором и эмиттером.

а) структура б) эквивалентная схема

Рисунок 1.64 – Биполярный транзистор с изолированным затвором

Как видно из устройства эквивалентной схемы, прибор содержит три транзисторные структуры: VT1-полевой транзистор с изолированным каналом n-типа, VT2-биполярный транзистор со структурой n-p-n и VT3-биполярный транзистор со структурой p-n-p. Нижний n-слой является базовой областью

p-n-p транзистора и обладает модулированным сопротивлением r_М, которое зависит от протекающего через него тока.

В типовом режиме работы транзистор VT2 является паразитным и не должен оказывать влияния (находится в закрытом состоянии). Основную роль выполняют транзисторы VT1 и VT3. Эмиттерный переход транзистора VT3 предназначен для инжекции дырок. Инжекция существенно уменьшает сопротивление нижнего n-слоя. В результате, напряжение Uкэ IGBT транзистора в открытом состоянии значительно меньше, чем напряжение Uси соответствующих мощных МДП транзисторов. Преимущество IGBT при коммутации высоких напряжений (единицы - десятки киловольт), так как высоковольтные ПТ имеют большее сопротивление выходных цепей в открытом состоянии (R_K0). Инжекция дырок приводит к возникновению объёмного заряда в нижнем слое n-типа, что объясняет меньшее быстродействие IGBT приборов по сравнению с ПТ.

Следует отметить, что транзисторы VT2 и VT3 образуют тиристорную структуру. В аварийном режиме может проявиться тиристорный эффект, при котором IGBT становится неуправляемым и при отсутствии внешних элементов, ограничивающих ток, может выйти из строя. Современные IGBT имеют встроенные элементы защиты от тиристорного эффекта.

Выходные и передаточные характеристики IGBT приведены на рисунке. Выходная характеристика- это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при заданном напряжении затвор-эмиттер U_ЗЭ. Передаточная характеристика отражает зависимость тока коллектора I_K от напряжения затвор-эмиттер U_ЗЭ.

Усилительные свойства IGBT – транзистора характеризуется крутизной. Крутизна IGBT транзисторов может достигать десятков Ампер на Вольт. IGBT транзисторы, как и другие мощные МДП транзисторы обладают повышенной тепловой устойчивостью. IGBT транзисторы обладают также таким достоинством как устойчивость к кратковременному короткому замыканию нагрузки.