Электроника Ч2

3.ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы находят широкое применение в электронике, но они имеют существенные недостатки. Недостатки обусловлены двумя факторами. Во-первых, активный режим работы предполагает, что переход эмиттер – база транзистора открыт и его сопротивление мало. Поэтому такой прибор потребляет заметную мощность от источника входного сигнала. Во-вторых, участие в работе транзистора носителей зарядов двух знаков обуславливает высокий уровень внутренних шумов из-за самопроизвольных рекомбинаций в объеме эмиттера и коллектора.

От приведенных недостатков свободны полевые транзисторы. Величина тока этого транзистора управляется электрическим полем закрытого р- n перехода. Поэтому такой прибор практически не потребляет ток из вход-

33

Поэтому зависимость Ic = ϕ (Uси ) имеет нелинейный характер. При некото-

ром значении Uси границы р-n перехода смыкаются и рост тока Iс, при даль-

нейшем увеличении Uси , прекращается. Зависимость Ic = ϕ (Uси ) переходит на пологий участок рис.19.7, г.

Пусть напряжение Uси постоянно и находится в области пологого участка характеристики. В этом случае увеличение положительного напряже-

ния Uзи приводит к расширению запирающего слоя p – n перехода и ток Iс

уменьшается. Очевидно, что существует такое значение U зи , при котором ток IC = 0. Это значение называют напряжением отсечки. Таким образом,

изменяя напряжение U зи , можно управлять значением тока Ic . При этом че-

рез цепь затвора протекает только малый тепловой ток р-n перехода. Структура полевого транзистора МДП – типа приведена на рис. 19.8,

а. Здесь электрод затвора изолирован от полупроводникового канала слоем диэлектрика из двуокиси кремния SiO2. Это стало причиной еще одного на-

звания – полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ). Электро-

ды стока и истока имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом. При такой структуре ток утечки затвора пренебрежимо мал.

Полупроводниковый канал может быть обогащен носителями зарядов или обеднен. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость. Поэтому канал называется индуцированным.

Принцип работы ПТИЗ со встроенным каналом аналогичен принципу работы полевого транзистора с p – n переходом. Рассмотрим работу транзистора с индуцированным каналом.

Если на затвор не подано напряжение, то между истоком и стоком расположены два встречно включенных p – n перехода. Сопротивление переходов ве-

34

лико, поэтому ток цепи пренебрежимо мал. При поступлении на затвор положительного напряжения Uз электроны из слоя p дрейфуют к затвору и индуцируют проводящий канал между истоком и стоком. Чем больше напряжение на затворе, тем шире канал и тем больше ток стока при неизменном напряжении Uс.

Так как проводимость канала может быть электронной или дырочной, то возможны четыре типа ПТИЗ. Условные обозначения ПТИЗ этих типов приведены на рис. 19.8 б, в, г, д.

К основным параметрам ПТИЗ относятся крутизна входной характеристики S = (dIc/dUз) при Uc = const, дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения rc, допустимый ток стока Iс макс, допустимое напряжение Uс макс, допустимая мощность Рс макс. Высокое входное сопротивление и большое (до сотен МГц) значение допустимой рабочей частоты составляют основное преимущество ПТИЗ.

4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ IGBT ТРАНЗИСТОРАХ

Упрощенная схема замещения биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) приведена на рис. 19. 9, а. В состав схемы входят биполярный транзистор и ПТИЗ, причем, ПТИЗ включен параллельно p-n переходу база – эмиттер биполярного транзистора.

35

При поступлении на затвор З положительного относительно точки Э напряжения ПТИЗ открывается. Ток стока ПТИЗ является управляющим током биполярного транзистора, поэтому, одновременно с ПТИЗ открывается биполярный транзистор. Рабочий ток БТИЗ в β раз больше тока ПТИЗ и протекает от точки К к точке Э.

На рис. 19.9, б приведено условное обозначение БТИЗ и пример его включения для прерывания тока в активном сопротивлении.

Основные достоинства БТИЗ: очень большое входное сопротивление, большие допустимые токи (до 1800 А) и напряжения (до 4,5 кВ), достаточно большие допустимые частоты (до n10 кГц).

Недостатком транзистора является большая емкость затвора (до 1 мкФ). Это усложняет процесс переключения транзистора.

5.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральные микросхемы (ИМС) – это изделия, выполняющие опре-

деленную функцию преобразования и обработки сигнала, имеющие высокую плотность упаковки элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), изготовленные по единому технологическому процессу, в одном корпусе. Применение ИМС обеспечивает высокую надежность, малые массу и

36

габариты аппаратуры, снижает ее стоимость и упрощает организацию производства. Перечисленные достоинства стали основой широкого применения

ИМС в аппаратуре различного назначения.

Совокупность ИМС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно – технологическое исполнение и предназначены для совместного применения, называют серией ИМС.

Внастоящее время промышленностью налажен выпуск ИМС, различающихся по выполняемым функциям, по технологии производства и по плотности упаковки элементов (степени интеграции). В зависимости от выполняемых функций все ИМС делятся на аналоговые и цифровые. По технологии производства ИМС разделяются на полупроводниковые, гибридные и пленочные. По степени интеграции различают ИМС малой интеграции (до 100 элементов в одном корпусе), средней интеграции (от 100 до 1000 элементов), большой интеграции (от 1000 до 100000 элементов).

Впоследние годы все более широкое применение находит еще один класс ИМС – программируемые ИМС.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

19.1.Приведите классификацию транзисторов и назовите отличительные особенности каждого класса.

19.2.Какие особые требования предъявляются к базе и эмиттеру биполярных транзисторов?

19.3.Известно, что в активном режиме работы биполярного транзистора переход коллектор – база находится под обратным напряжением. Почему через него протекает ток коллектора?

19.4.Какой из параметров биполярного транзистора определяет его усилительные

свойства?

37

19.5.Выходные ВАХ биполярного транзистора имеют крутой и пологий участки. Приведите соотношение между значениями Uкэ и Uбэ на каждом из этих участков. В каких режимах работает транзистор на каждом из участков?

19.6.Почему на пологом участке выходных ВАХ биполярного транзистора наблюдается незначительное увеличение тока коллектора с ростом напряжения Uкэ?

19.7.Почему на пологом участке выходных ВАХ биполярного транзистора ток коллектора пропорционален току базы?

19.8.Какие физические величины определяют h – параметры транзистора? Для чего они приводятся в справочной литературе?

19.9.Какой физический процесс обусловливает температурную зависимость параметров транзистора?

19.10.Почему коэффициент передачи тока базы зависит от частоты?

19.11.Транзистор типа n – p – n включен по схеме с общим эмиттером. Определите, в каком режиме работает транзистор, если

а) напряжение Uбэ = 0,3 В, а напряжение Uкэ = 0,2 В; б) напряжение Uбэ = 0,3 В, а напряжение Uкэ = 10 В; в) напряжение Uбэ = - 0,3 В, а напряжение Uкэ = 10 В.

19.12.Транзистор типа n – p –n включен по схеме с общим эмиттером. Определите напряжение коллектор – база Uкб, если напряжение коллектор – эмиттер Uкэ = 10 В, а напряжение база – эмиттер Uбэ = 0,4 В.

19.13.Транзистор с параметрами β = 100, Iк = 1 мА и Iкбо = 5 мкА включен по схеме с общим эмиттером. Определите

а) коэффициент передачи тока эмиттера α; б) ток эмиттера Iэ; в) ток базы Iб;

г) обратный ток транзистора Iкэо.

19.14. Выводы электродов транзистора обозначены А, В. С. При работе транзистора в активном режиме токи электродов имеют значения: IА = 1 мА, IВ = 20 мкА, IС = 1,02 мА. Полагая, что обратный ток перехода коллектор – база Iкбо = 0, определите: а) с какими электродами соединены выводы; б) чему равен коэффициент передачи тока базы β.

38

ЛЕКЦИЯ 20. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

К силовым приборам относятся управляемые полупроводниковые приборы, используемые в электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и в других силовых установках. Для снижения потерь силовые приборы в основном работают в ключевом режиме. К ним предъявляются следующие общие требования:

–малые потери при коммутации;

–большая скорость перехода из одного состояния в другое;

–малое потребление мощности по цепи управления;

–большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Внастоящее время разработаны и выпускаются приборы на рабочее напряжение свыше 6 кВ и на токи до 1000 А. Допустимые рабочие частоты доходят до 1 МГц.

Вкачестве силовых приборов используются мощные биполярные и униполярные транзисторы, БТИЗ и транзисторы со статической индукцией (СИТ и БСИТ). Специально для целей силовой электроники разработаны мощные четырехслойные приборы – тиристоры и симисторы. Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). Рассмотрим эти приборы более подробно.

1.ДИНИСТОРЫ

Динистор – это прибор с тремя p – n переходами и двумя выводами

для включения в схему. Под действием приложенного напряжения он способен переходить из закрытого в открытое состояние. Благодаря этому свой-

39

ству динисторы применяются в цепях коммутации высоких мощностей и импульсных схемах информационной электроники.

Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности, например, n-p-n-p или p-n-p-n (рис. 20.1, а). В такой структуре есть три выпрямляющих p-n перехода и два вывода. Вывод от крайней области полупроводника p – типа называется анодом и обозначается индексом А. Другой вывод называется катодом и обозначается индексом К. Крайние p – n переходы и крайние области полупроводника называются эмиттерными. Средний p – n переход и соседние с ним области называются базовыми. Схемное обозначение динистора показано на рис. 20.1, б.

Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе, при прямом включении (плюс – к аноду, минус – к катоду). При таком включении крайние p-n переходы П1 и П3 открыты, а средний П2 (базовый) – закрыт. Поэтому напряжение внешнего источника, в основном падает на базовом переходе, а динистор представляет собой диод при обратном включении. Поэтому и первый участок ВАХ динистора (рис.20.1, в) похож на обратную ветвь ВАХ диода.

Под действием приложенного напряжения дырки из р области эмиттера инжектируются в n базу и втягиваются полем базового перехода в р базу. Дальнейшему продвижению дырок препятствует небольшой потенциальный барьер коллекторного р-n перехода (на рис. 20.1, а не показан). Поэтому часть дырок задерживается и, скапливаясь, образует избыточный положи-

40

тельный заряд. Этот заряд понижает высоту потенциальных барьеров базового П2 и эмиттерного П3 переходов, а также способствует увеличению инжекции электронов из n - области коллектора в р - область базы.

Поле потенциального барьера закрытого р-n перехода базы П2 втягивает электроны в n –область базы. Скапливаясь, они также образуют избыточный заряд, снижающий потенциальные барьеры эмиттерного П1 и базового П2 р-n переходов.

Величина избыточных зарядов в базовых областях тем больше, а высота потенциального барьера на базовом переходе П2 тем меньше, чем больше напряжение Uа . При некотором значении Uа = Uвкл высота потенциального барьера базового перехода уменьшается до значения, соответствующего прямому включению. Сопротивление базового перехода и падение напряжения на нем резко уменьшаются (участок II ВАХ), а ток скачком увеличивается.

Таким образом, при подаче на динистор прямого напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытом или открытом. Закрытому состоянию динистора соответствует участок I ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения А.

Токи, протекающие через последовательно соединенные переходы динистора, должны быть одинаковы, т. е.

Обозначим коэффициенты передачи токов эмиттерных переходов α1 и α3. Учтем, что через закрытый переход П2 протекает обратный ток Iо. Тогда можем записать:

Учитывая (20.1), перепишем (20.2) в виде