2.4.2.3 Igbt - биполярный транзистор с изолированным затвором

Рассматриваемый транзистор обычно называют, ис­пользуя именно аббревиатуру, IGBT — от английского Insulated Gate Bipolar Transistor.

IGBT — гибридный полупроводниковый прибор. В IGBT совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (уп­равление электрическим полем), а второй — для биполяр­ных (управление инжекцией носителей электричества).

Ранее предпринимались попытки (и довольно успеш­ные) механического объединения структур полевого и биполярного транзистора в одной полупроводниковой пластине. В результате были созданы так называемые ком­бинированные транзисторы. Но только органическое объединение этих структур, реализованное в IGBT, дало действительно значительный эффект.

Создание IGBT можно рассматривать как поучитель­ный пример творчества в электронике.

Устройство IGBT. Основой при создании IGBT послу­жил силовой МДП-транзистор.

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзи-стора с индуцированным каналом «-типа. Учитывая, что конкретно такой транзистор не рассматривался, изобра­зим его схему включения (рис. 1.161).

Дадим схематическое изображение структуры силово­го ДМДП-транзистора указанного типа (рис. 1.162).

Эта структура, как и приводимая ниже эквивалентная схема, естественно, подобны структуре и схеме, описан­ным при изучении силового ДМДП-транзистора с кана­лом р-типа.

Изобразим эквивалентную схему силового транзисто­ра (рис. 1.163).

Теперь перейдем непосредственно к изучению ICjBT. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупровод­ника р-типа (рис. 1.164).

Обратим внимание на то, что для обозначения элект­родов IGBT принято использовать термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор».

Добавление слоя р-типа приводит к образованию вто­рой структуры биполярного транзистора (типа р-п-р). Та­ким образом, в IGBT имеется две биполярные структу­ры — типа п-р-п и типа р-п-р.

Изобразим эквивалентную схему IGBT (рис. 1.165).

Названия выводов IGBT могут представляться несколь­ко непривычными (особенно это относится к коллектору, так как фактически он подключен к эмиттеру транзисто­ра р-п-р). И тем не менее эти названия общеприняты.

Через R_Mod обозначено сопротивление нижнего слоя n-типа, который является слоем базы для транзистора типа р-п-р. При изменении тока, проходящего через этот слой, сопротивление Я_мод изменяется (модулируется).

Дадим условное графическое обозначение IGBT (рис 1.166).

Изобразим схему включения IGBT (рис. 1.167).

Эта схема с общим эмиттером. Именно она использу­ется на практике.

Основные физические процессы. В нормальных услови­ях работы транзистор Т₂ типа п-р-п заперт и практически не оказывает влияния на работу IGBT. Вообще транзис­тор Т₂ рассматривается как паразитный (как и для струк­туры силового полевого транзистора).

Главную роль играют транзисторы T₁, и Т₃.

Основное назначение дополнительного р-n-перехода (который является эмиттерным переходом для транзисто­ра Т₃) состоит в инжекции дырок в нижний слой и-типа. Инжекция значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение и_кэ между коллектором и эмиттером IGBT в открытом состоянии значительно уменьшается по сравнению с соответствующим полевым транзистором.

Именно меньшее напряжение в открытом состоянии является основным преимуществом IGBT по сравнению с полевым транзистором.

Уменьшение напряжения приводит к пропорциональ­ному снижению мощности, рассеиваемой транзистором.

Преимущество IGBT особенно заметно при коммута­ции больших напряжений (около тысячи вольт и более), так как высоковольтные полевые транзисторы имеют по­вышенное значение сопротивления цепи сток—исток в от­крытом состоянии.

Однако инжекция дырок приводит к возникновению объемного заряда неравновесных носителей электричества в базе транзистора типа р-п-р (т. е. в нижнем слое л-типа). Это явление рассмотрено выше при изучении диода. Яв­ление накопления заряда имеет следствием уменьшение быстродействия IGBT по сравнению с полевым транзис­тором. Такова плата за снижение напряжения в открытом состоянии.

Легко заметить, что биполярные транзисторы Т₂ и T₃ образуют рассмотренную выше эквивалентную схему тиристора (часто говорят о тиристорной структуре). Эта схе­ма может находиться в двух устойчивых состояниях: во включенном и выключенном.

В аварийном для IGBT режиме работы схема на тран­зисторах Т₂ и Т₃ может включиться и после этого IGBT становится неуправляемым и может выйти из строя.

Эффект включения транзисторов Т₂ и Т₃ называют триггерным. Он обычно проявляется при выключении IGBT. Разработчики IGBT прилагают все усилия для борь­бы с этим эффектом.

Современные IGBT настолько защищены от триггерного эффекта, что их допустимо моделировать, используя эквивалентную схему, не содержащую паразитный тран­зистор типа п-р-п (рис. 1.168).

Характеристики IGBT. Обратимся к выходным харак­теристикам IGBT для схемы с общим эмиттером. Выход­ной характеристикой называют зависимость тока коллек­тора i_K от напряжения между коллектором и эмиттером и_кэ при заданном напряжении между затвором и эмиттером U_зэ , т.е. зависимость вида

i_к = f (U_кэ)\ U_кэ = const ,

где f — некоторая функция.

Вначале дадим общий типичный вид выходных харак­теристик (рис. 1.169) без учета ограничения по максималь­но допустимой мощности (т. е. для импульсов тока огра­ниченной длительности).

Теперь изобразим выходные характеристики в области малых напряжений и_кэ (рис. 1.170).

Из рисунка следует, что ток коллектора начинает замет­но расти после некоторого (в доли вольта) порогового зна­чения напряжения и_кэ . Это объясняется наличием р-п-перехода в области коллектора IGBT.

Передаточной характеристикой называют зависимость вида

i_c = f (U_зэ)\ U_кэ = const ,

где f— некоторая функция.

Изобразим передаточную характеристику (рис. 1.171).

На рисунке указано пороговое напряжение и_{зэпорог}. IGBT характеризуется также крутизной передаточной характеристики S:

S = di_к / du_зэ U_зэ - заданно

U_зэ = const

Высокая теплостойкость IGBT. Как и полевой транзи­стор, IGBT обладает достоинствами, позволяющими гово­рить о его тепловой устойчивости.

Область безопасной работы IGBT подобна области бе­зопасной работы силового полевого транзистора (рассмот­рена выше).

IGBT устойчив к короткому замыканию нагрузки. Если после возникновения режима короткого замыкания транзистор своевременно выключить, он не потеряет работо­способность.

2.4.2.4 SIT — транзистор со статической индукцией

Аббревиатура SIT соответствует английскому названию транзистора — Static Induction Transistor.

По существу SIT — полевой транзистор с управляющим р-п-переходом. Однако он имеет своеобразное устройство и, вследствие этого, своеобразные характеристики.

Производятся SIT как с каналом n-типа, так и с кана­лом p-типа.

Для SIT используются уже рассмотренные условные графические обозначения полевых транзисторов с управ­ляющим переходом.

Как и силовой МДП-транзистор, SIT является много­канальным и имеет вертикальную структуру.

Устройство SIT. Дадим схематическое изображение структуры SIT с каналом л-типа (рис. 1.172).

На рис. 1.172, а представлен вид спереди, а на рис. 1.172, б — вид сбоку.

Области полупроводника p-типа имеют форму цилин­дров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каж­дый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рис. 1.172, а электрод затвора условно не показан).

Пунктиром обозначены области p-n-переходов.

Реально число каналов может составлять тысячи.

Обычно SIT используется в схеме с общим истоком (рис. 1.173).

Характерной особенностью SIT является очень малая длина каналов (которая сравнима с диаметром цилиндров).

Физические процессы в SIT достаточно сложны. В от­дельных моментах они подобны физическим процессам в изученном полевом транзисторе с управляющим перехо­дом.

При увеличении запирающего напряжения и_т облас­ти р-п-переходов расширяются. В этом отношении SIT имеет общие черты с «обычным» полевым транзистором.

Однако влияние напряжения и_си на ток i_с для SIT име­ет другой характер по сравнению с «обычным» полевым транзистором.

Для транзистора с «обычным» каналом, как это было показано выше, увеличение напряжения и_си приводит к тому, что канал перекрывается в области стока. После это­го дальнейшее увеличение напряжения и_си незначительно изменяет ток i_c. При этом рабочая точка, характеризую­щая состояние транзистора, оказывается в области насы­щения.

Падение напряжения в каждом канале SIT, вызванное протеканием тока стока, невелико благодаря очень малой длине каналов. Оно достаточно слабо влияет на расшире­ние областей р-n-переходов. Поэтому увеличение напря­жения и_си не сопровождается уменьшением скорости ро­ста тока i_c (т. е. выходная характеристика при увеличении напряжения и_си не становится более пологой).

Более того, при увеличении напряжения и_си уменьша­ется напряженность электрического поля в области исто­ка и затвора, тормозящего электроны при их движении от истока к стоку. Это приводит к тому, что увеличение на­пряжения и_си сопровождается увеличением скорости рос­та тока стока (т. е. выходная характеристика при увеличе­нии напряжения и_си становится более крутой).

Характеристики. Изобразим типичные выходные ха­рактеристики SIT (рис. 1.174).

Такие вольт-амперные характеристики типичны и для электроламповых триодов. Поэтому их называют триодными. Внутреннее дифференциальное сопротивление R_{cu диф}, соответствующее таким характеристикам, невелико.

Изобразим стокозатворную характеристику (рис. 1.175).

Стокозатворные характеристики SIT отличаются про­тяженными линейными участками. Эта особенность ха­рактеристик и малое внутреннее сопротивление хорошо соответствуют требованиям, предъявляемым к транзисто­ру со стороны усилителей мощности звуковых частот вы-

сокого качества (класса HiFi — High Fidelity). Поэтому SIT широко используется в этих усилителях.

SIT широко применяется и в других устройствах сило­вой электроники. При этом он обычно работает в ключе­вом режиме.

Биполярный режим SIT. Если напряжение и_т становит­ся отрицательным, управляющий p-n-переход открывается и SIT переходит в режим работы, подобный режиму ра­боты биполярного транзистора. В этом режиме затвор игра­ет роль базы. Достоинством биполярного режима является малое напряжение между стоком и истоком в открытом со­стоянии. Но ток затвора при этом значителен. Кроме того, быстродействие транзистора в этом режиме существенно уменьшается из-за явления накопления и рассасывания чаряда неравновесных носителей электричества.