13.6.2. Мдп-транзисторы

МДП-транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого вида затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. Структура такого полевого транзистора ранее была уже указана – это металл-диэлектрик – полупроводник (МДП). Их изготавливают на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка окисла кремния SiO₂. Получается структура металл-окисел-полупроводник, называемая МОП- транзистором.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом, созданным при изготовлении, и с индукционным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p-типа и n-типа (рис. 180, П - с выводом от подложки).

Рис. 180

Схема включения МДП-транзистора с каналом n-типа представлена на рис. 181.

Работа МДП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника, - канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе.

Рис. 181

В МДП-транзисторе с индукционным каналом при U_зи = 0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказываются встречно включенными два p-n перехода, поэтому ток I_С в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (U_зи >0), то возникающее при этом электрическое поле будет отталкивать дырки в глубь p-полупроводника. При некотором пороговом напряжении между стоком и истоком накапливается достаточный слой электронов – создается проводящий канал. Толщина этого канала, равная 1-2 нм, практически не меняется при изменении напряжения U_зи. Сопротивление канала зависит только от концентрации электронов в нем, поэтому, изменяя U_зи, можно менять ток такого МДП-транзистора.

Основные параметры:

 предельные параметры I_{c max} , U_{си max} ,

U_{зи max} , P_{рас max}=I_з U_зи.

 входная емкость С_зи , проходная емкость С_зс, выходная емкость С_си.

 напряжение отсечки U_{зи отс} – обратное напряжение на затворе, при котором

токопроводящий канал окажется перекрытым.

 входное сопротивление R_вх между затвором и истоком.

R_вх= U_{зи max}/I_{з max}.

Важнейшей особенностями полевых транзисторов являются их очень высокие входное сопротивление (до 10¹⁵ Ом) и граничная частота (до 1ГГц). С конструктивной точки зрения полевые транзисторы, особенно МДП-транзисторы, являются весьма прогрессивными активными элементами.

1.7. Транзисторы типа igbt

а б

Рис. 182

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.182, а приведено условное обозначение IGBT.

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 182, б. Прибор вводится в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер ) и C (коллектор ), а в цепь управления - выводом G (затвор ).

     Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними (рис. 182, б). Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

     Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

   Современные IGBT-модули (т.е. в одном корпусе расположено несколько транзисторов) находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники.

   Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления - драйвер конструктивно компактна.

Характеристики IGBT позволяют широко применять их в инверторах с рабочими напряжениями от 600 до 1200 В и токами до 40 А.

В последнее время некоторые иностранные фирмы начали выпускать гибридные модули на основе IGBT на напряжения 600 В и 1200 В с токами от 8 до 20 А, а при параллельном включении IGBT  на токи 800 и 1200 А. Модуль содержит сборку трехфазного моста из IGBT и обратных диодов, гасящими высокочастотные автоколебания.