Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_7

ние) и прямого напряжения (выключенное состояние) (рис. 7.21), причем состояние транзистора зависит только от сигнала управления.

По принципу действия различают основные классы силовых транзисторов:

биполярные; полевые, среди которых наибольшее распро-

странение получили транзисторы типа металл- оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor);

полевые с управляющим p-n-переходом или транзисторы со статической индукцией (СИТ) (англ. SIT – static induction transistor);

биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT – insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы p-n-p- è n-p-n-типов (рис. 7.22). Среди силовых транзисторов большее распространение получил n-p-n-тип. Средний слой структуры называют базой (B), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттером (E), собирающий носители – коллектором (C).

Рис. 7.21. ВАХ идеального транзисторного ключа

Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Рассмотрим более подробно процессы, возникающие при подключении источников напряжения к транзистору n-p-n-типа. Подача прямого напряжения на эмиттерный p-n-переход (UEB > 0) è îá-

ратного напряжения (UCB < 0) на коллекторный соответствуют нормальному включению транзистора, которое обычно используется в силовой электронике. При такой схеме включения транзистора потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается, а коллекторного – увеличивается. В результате начинает происходить инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Большая часть электронов достигает коллекторного перехода

èпод воздействием поля обратного смещения втягивается в слой коллектора.

Таким образом формируются токи эмиттера iE

èколлектора iC. Разностью этих токов создается ток базы iB.

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполярные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы с током 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц.

МОП-транзисторы. Принцип действия транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например, диоксид кремния SiO2.

Принцип управления МОП-транзистором можно рассмотреть на примере структуры, состоящей из слоев металла, диэлектрика и полупроводника с проводимостью p-типа (рис. 7.23). Если к этой структуре подключать источник напряжения E, положительным выводом к металлу, то дырки полупроводника будут перемещаться в направлении отрицательного потенциала внешнего источника, обедняя основными носителями слой полупроводника, граничащий с диэлектриком. При изменении полярности напряжения внешнего источника будет происходить процесс обогащения дырками этого поверхностного слоя. При определенном напряжении внешнего источника вблизи границы с диэлектриком может быть образован тонкий слой, в котором электроны преобладают над дырками, т. е. в полупроводнике появится слой с инверсным

типом проводимости n-типа. Этот индуцированный слой называют каналом. Его электрическая проводимость (а, следовательно, сопротивление) зависит от приложенного напряжения внешнего источника. На этом принципе основана работа МОП-транзисторов.

Различают два типа МОП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами. Оба типа имеют выводы из структуры транзисторов: сток (D), исток (S), затвор (G), а также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала разли- чают транзисторы с n- è p-типами каналов. На рис. 7.24 изображены структуры и символы МОП-тран- зисторов с каналами n-типа. Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содер-

жанием носителей. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например, n+ -òèïà.

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом проводящая область образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т. е. они работают в режиме обогащения, что позволяет управлять током стока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток – исток протекает и при отсутствии

Рис. 7.25. Структура (вертикальный срез) и символ СИТ транзистора

Рис. 7.26. Структура (à), эквивалентная транзистора с изолированным затвором

напряжения на затворе. Для управления этим током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями.

Принципиальным отличием МОП-транзисто- ров от биполярных является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-транзисторы называются также униполярными транзисторами.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала (RDSon) примерно 0,5 Ом, частота коммутации не превышает 100 кГц.

СИТ-транзисторы. Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. СИТтранзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи

схема (á) и символ (â) биполярного

p-n-переходом. На рис. 7.25 показана упрощенная структура СИТ-транзистора. При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала СИТтранзистора минимально и он находится в нормальном” открытом (включенном) состоянии”. При подаче на затвор положительного относительно истока потенциала толщина канала уменьшается и его сопротивление увеличивается, что позволяет управлять током в цепи сток–исток. В СИТ-транзис- торе p-n-переход смещен в обратном направлении и управление полем позволяет изменять заряд барьерной емкости этого перехода с очень малым потреблением мощности.

Малое расстояние от истока до затвора благодаря вертикальному каналу позволяет уменьшить сопротивления и ”паразитные” емкости между выводами транзистора. Это дает возможность повысить его быстродействие и мощность при многоканальном исполнении. Рабочая частота СИТ-транзисто- ров обычно ограничивается 100 кГц при напряжениях коммутируемой цепи до 1200 В. Верхний предел диапазона коммутируемых токов достигает несколько сот ампер.

БТИЗ-транзисторы. Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства бипо-

лярного и полевого транзисторов привело к созданию БТИЗ-транзисторов. Он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых.

На рис. 7.26 представлены упрощенная структура, эквивалентная схема и символ БТИЗ с каналом n-типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП-транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью p+-типа, который придает БТИЗ свойства биполярного транзистора. Структуре БТИЗ соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.26,á. Выходная цепь на этой схеме представлена транзистором p-n-p-типа, а дополнительному p-n- переходу соответствует транзистор n-p-n-òèïà.

При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом n-типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые напряжения БТИЗ, выполненных на основе современных электронных технологий, достигают 3–5 кА. При этом рабочая частота в зависимости от мощности транзистора находится в диапазоне 20–100 кГц.

Силовые транзисторы являются полностью управляемыми приборами, которые могут быть представлены в виде четырехполюсников с входными, выходными и проходными (передаточными) характеристиками.

В электронных аппаратах силовые биполярные транзисторы обычно включаются по схеме с общим эмиттером, а полевые – с общим истоком. На рис. 7.27 представлена схема биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, нагрузкой Rí и сопротивлением Ró в цепи управления с источником напряжения uó. Выходной характеристикой в этой схеме обычно является зависимость тока коллектора iC от напряжения uCE, а входной – тока базы iB от напряжения uBE. Соответственно передаточными характеристиками будут зависимости iC = f (iB) èëè uCE = f (iB) с учетом конкретного значения сопротивления нагрузки Rí.

Статические выходные характеристики при разных значениях тока базы представлены на рис. 7.28. В этой же системе координат дано зеркальное отображение линейной нагрузочной характеристики, определяемой сопротивлением Rí. Пересечение выходной характеристики (для определенного тока базы) с нагрузочной определяет режим работы тран-

зистора, т. е. ток коллектора и напряжение транзистора.

Различают три основные статические режима работы транзистора: активный, насыщения и отсечки (на рис. 7.28 этим режимам соответствуют области B, A è C). При использовании транзистора в ключевых схемах он работает в двух режимах – насыщения (включенное состояние) и отсечки (выключенное состояние).

В режиме отсечки переходы транзистора смещены в обратных направлениях т. е.

uBE ≤ 0 ; uBC ≤ 0 (n− p− n) ;

Рис. 7.27. Транзисторный ключ с общим эмиттером

Рис. 7.28. Выходные статические ВАХ биполярного транзистора

Рис. 7.29. Зависимость статического коэффициента передачи по току биполярного транзистора от тока коллектора и температуры кристалла

Рис. 7.30. Входные статические ВАХ биполярного транзистора

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном

транзистора связаны следующими соотношениями:

с общим эмиттером; α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой; IC0 – тепловой ток коллекторного перехода.

В области насыщения оба p-n-перехода смещены в прямом направлении, т. е.

ãäå IB sat – граничное значение тока базы при котором наступает насыщение; S – коэффициент насыщения (S ≥ 1); Ií, E – ток нагрузки и напряжение питания соответственно.

Следует отметить, что на коэффициент β сильно влияет температура и ток коллектора. При увели- чении температуры транзистора значение β может возрастать в несколько раз. В области малых и больших значений тока IC (рис. 7.29) β обычно уменьшается.

Значение коэффициента S не оказывает сильного влияния на статические ВАХ. При увеличении S незначительно снижается падение напряжения на открытом транзисторе. Однако в динамических режимах коэффициент S существенно влияет на быстродействие переключения транзистора из одного состояния в другое.

Типичные входные статические ВАХ iB = f (uBE) приведены на рис. 7.30. В расчетах ВАХ аппроксимируется кусочно-линейной характеристикой. Зеркальная ВАХ нагрузки, характеризующая общее эквивалентное сопротивление цепи, соединяющей источник управления током базы Uó и вывод базы RB, позволяет определить ток базы. Его значение соответствует точке пересечения ВАХ перехода эмиттер-база и зеркальной характеристики эквивалентного сопротивления.

Таким образом, в электронных аппаратах биполярный транзистор используется как полупроводниковый полностью управляемый ключ. Как правило, он включается в цепь нагрузки по схеме с общим эмиттером и управляется током базы iB.

Åñëè iB = 0, то транзистор находится в состоянии низкой проводимости (состояние отсечки, зона C íà ðèñ. 7.28), åñëè iB > IB sat (1.36), то транзистор находится в состоянии высокой проводимости (состояние насыщения, зона A íà ðèñ. 7.28).

МОП-транзистор с каналом n-типа , включенный по схеме с общим истоком представлен на рис. 7.31. Управление транзистором осуществляется подачей напряжения uGS на его затвор. Очень высокое входное сопротивление полевых транзисторов делает практически нецелесообразным использование входной ВАХ, аналогичной ВАХ биполярного транзистора. Поэтому часто при расчетах режимов работы полевых транзисторов используют проходные ВАХ, связывающие напряжение uGS с током стока iD. Характер проходных ВАХ зависит от типа полевого транзистора. На рис. 7.32 представлены проходные ВАХ для МОП-транзистора с индуцированным (1) и встроенным (2) каналами n-òèïà.

В транзисторе с индуцированным каналом ток iD увеличивается, если значение напряжения uGS становится больше определенного порогового значе- ния напряжения Uth, и начинает образовываться электропроводящий канал. Далее по мере увеличе- ния uGS и, следовательно, обогащения его канала ток iD растет.

При встроенном канале МОП-транзистор может работать как в режиме обогащения, так и обеднения канала носителями электрических зарядов. Когда напряжение UGS = 0, через транзистор со встроенным каналом протекает определенный ток стока iD, что соответствует открытому (включенному) состоянию. Если uGS > 0, то происходит обогащение канала и ток iD растет, а при uGS < 0, уменьшается из-за обеднения канала. Существует определенное отрицательное значение UGS = Uth (для транзисторов с каналом n-типа), при котором ток iD становится равным нулю.

Рис. 7.31. Схема включения МОП транзистора с каналом n-òèïà

Рис. 7.32. Статические проходные ВАХ МОП транзистора с каналом n-òèïà

Статические выходные ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 7.33. В этих характеристиках имеется крутой участок, соответствующий резкому увеличению тока iD при увеличении напряжения стока uDS. Далее рост тока iD замедляется, что соответствует пологим участкам ВАХ. Это происходит из-за обеднения канала под воздействием напряжения uDS. Из рисунка видно, что выходные ВАХ МОП-транзистора и биполярного транзисторов сходны. Принципиальное отличие заключается в том, что биполярные управляются током базы, а МОП-транзисторы – напряжением. Кроме того, крутые участки ВАХ МОП-транзисторов имеют более линейный характер, соответствующий резисторному сопротивлению. Поэтому в области крутых участков, ВАХ МОП-транзисторов аппроксимируется постоянным активным сопротивлением

Область ВАХ с крутыми участками соответствует открытому состоянию транзистора. Закрытое состояние наступает при uGS < Uth, когда ток iD уменьшается до некоторого малого остаточного значе- ния. Этот режим называется режимом отсечки. Пологие участки ВАХ соответствуют активному режиму. Граница перехода из активного состояния в полностью открытое состояние определяется геометрическим местом точек с напряжением определяемым соотношением

На рис. 7.33 также представлено зеркальное отображение нагрузочной характеристики, зависящей от сопротивления Rí. Точки пересечения ВАХ и нагрузочной характеристики определяют режим работы транзистора, т. е. значения тока iD и напряжения uDS. В ключевом режиме работы эти значения находятся на границах областей полностью открытого состояния (точка а) или отсечки (точка á).

При построении ВАХ МОП-транзисторов со встроенным каналом необходимо учитывать, что напряжение на затворе в режиме отсечки имеет разный знак в зависимости от типа проводимости канала.

СИТ-транзисторы являются полевыми транзисторами и управляются напряжением. Главным отличием статических ВАХ СИТ-транзисторов является практическое отсутствие пологого участка ВАХ. На рис. 7.34 представлено семейство выходных ВАХ СИТ-транзистора. При нулевом напряжении на затворе uGS транзистор находится в открытом состоянии и с увеличением напряжения uDS òîê iD увеличивается без ограничения характерного для МОП-транзисторов, ВАХ которых имеют пологий участок. Управление транзистором осуществляется

Рис. 7.34. Статические выходные ВАХ СИТ-транзистора

Рис. 7.35. Статические выходные ВАХ БТИЗ транзистора

подачей обратного напряжения на управляющий p-n-переход, что приводит к обеднению канала транзистора носителями электрических зарядов. При определенном значении управляющего напряжения транзистор переходит в режим отсечки. Запирающее напряжение uGS определяется напряжением uDS. В результате с ростом напряжения uGS ВАХ сдвигаются вправо. Отсутствие пологих участков в ВАХ свидетельствуют о низком выходном сопротивлении СИТ-транзистора в широком диапазоне рабочих токов. В то же время в полностью открытом состоянии сопротивление СИТ-транзис- тора велико по сравнению с сопротивлением открытого МОП-транзистора.

Выходные ВАХ транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) подобны ВАХ биполярных транзисторов за исключением того, что управление выходным током iC осуществляется напряжением uGE, а не током базы (рис. 7.35). Кроме того, БТИЗ способны выдерживать в закрытом состоянии без пробоя значительное обратное напряжение [74].

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного для каждого типа транзистора времени. Инерционность переходных процессов обусловлена инерционностью процессов изменения носителей электрических зарядов в структуре транзистора и наличием в ней внутренних (собственных) емкостей. На рис. 7.36,à представлена схема замещения биполярного транзистора, учитывающая емкости, именуемые иногда паразитными”.

” В §7.1 было показано, что на динамические режимы работы ключей влияют как их собственное быстродействие, так и параметры внешней цепи, в которой происходит коммутация. В данном слу-

чае рассматриваются процессы, обусловливающие быстродействие биполярных транзисторов как ключевых приборов. Для качественной оценки принимается допущение об активном характере нагрузки.

Включение биполярного транзистора. Предположим, что транзистор при t < t0 находится в режиме

отсечки (выключен), и в момент времени t = t0 (ðèñ.

7.37,á) в базу транзистора от источника тока управления поступает импульс тока с идеально крутым

фронтом и значением IB > IB sat, ãäå IB sat – гранич- ное значение тока базы при нагрузке коллектора Rí. Так как напряжение на входной емкости CBE не может измениться скачком, начинается процесс

ее заряда до напряжения UBE sat ≈ 0,5 ч 0,6 В (для кремниевых транзисторов), при котором начинается увеличение тока базы непосредственно в структуре транзистора. Этот интервал времени (t0 − t1),

называемый задержкой на включение, может быть определен

Ïðè t = t1 начинается процесс накопления суммарного электрического заряда в базе, что соответствует активному режиму работы транзистора. Характеристика этого процесса имеет экспоненциальный характер [81]

ãäå τ B = β ⁄ (2π fãð); fãð – граничная частота транзистора в схеме с общим эмиттером.

В момент времени t = t2 заряд Q достигает граничного значения Qsat, соответствующего на-

ступлению режима насыщения. При этом дальнейший рост тока коллектора IC практически прекращается, а накопление избыточного заряда ∆ Q в базе будет продолжаться до момента времени t = t3. Этот заряд зависит от коэффициента насыщения S

Ïðè IB >>IB sat время нарастания тока коллектора IC, называемое также фронтом включения транзистора tri, можно приближенно определить

Общее время включения ton транзистора будет определяться

Если учесть инерционность, создаваемую выходной емкостью транзистора CCB, окончательный спад напряжения UCE будет происходить несколько позже.

Выключение биполярного транзистора. Предположим, что в момент времени t = t4 в базу насыщенного транзистора поступает отрицательный (запирающий) импульс тока – IB2. Под воздействием этого тока начнется интенсивное рассасывание избыточного заряда ∆ Q до значения суммарного за-

ðÿäà Q = Qsat. В этот момент времени (t = t5) транзистор начинает выходить из насыщения.

Общее время рассасывания избыточного заряда соответствует времени задержки на выключение tdoff. Ïðè IB2 >>IB1 >> IB sat эта задержка может быть определена

Длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т. е. длительность фронта выключения приближенно определяется [81]

= tdoff + tfi. Восстановление выходного напряжения UCE закончится несколько позднее момента, когда ток IC станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистора.

Из приведенных соотношений следует, что на быстродействие биполярного транзистора существенное влияние оказывают коэффициент насыщения S и токи управления, поступающие в базу.

Включение МОП-транзистора. Отсутствие явлений накопления и рассасывания носителей обусловливает высокое быстродействие всех полевых транзисторов. Однако из-за конструктивных особенностей значения собственных межэлектродных емкостей в этих транзисторах больше чем у биполярных. На рис. 7.37,à приведена схема замещения МОП-транзистора, учитывающая его межэлектродные емкости. Предположим, что МОП-транзистор находится в состоянии отсечки (закрыт). В момент времени t = t0 (ðèñ. 7.37,á) на его затвор подается сигнал управления от источника напряжения Uó с внутренним сопротивлением Ró. В результате на- чинается заряд входной емкости, которая при Ró >> Rí может быть определена

При достижении напряжением на затворе транзистора порогового значения Utí в момент времени (t = t1) транзистор выходит из режима отсечки, и начинается спад напряжения сток – исток UDS. Интервал времени t1 – t0 соответствует времени задержки на включение транзистора tdon. Дальнейшee увеличение напряжения UGS приводит транзистор в момент времени t = t2 в открытое состояние. Этот интервал времени соответствует фронту включения транзистора tri. Общее время

включения ton = tdon + tri. Очевидно, что при вклю- чении МОП-транзистора главным фактором, опре-

деляющим быстродействие транзистора, будет скорость заряда входной емкости Ciss. Эта скорость, в свою очередь, будет определяться параметрами источника сигналов управления. Поэтому в целях повышения быстродействия часто используют форсированное включение МОП-транзистора от источника тока на начальном интервале включения с последующим поддержанием необходимого сигнала управления от источника напряжения малой мощности (см. § 9.6).

Выключение МОП-транзистора. При скачкообразном изменении сигнала управления до нуля в момент времени t = t3 начинается выключение транзистора (рис. 7.37,á). Вначале также будет иметь место интервал задержки t3 – t4, пока напряжение на затворе не достигнет граничного значения Uth, при котором транзистор переходит в активный режим. Дальнейший спад напряжения на затворе в момент времени t = t5 приводит транзистор в режим отсечки, т. е. в выключенное состояние. Интервал времени t4 – t5 соответствует фронту выключения транзистора, общее время которого toff = tdoff + + tfi. На длительность нарастания напряжения USD могут оказывать заметное влияние выходная емкость транзистора CDS и сопротивление нагрузки Rí.

Динамические характеристики СИТ- и МОПтранзисторов во многом сходны. Различие определяется значениями межэлектродных емкостей. Для СИТ-транзисторов характерны малая длина прово-