1.3. Силовые транзисторы

1.3.1. Основные классы силовых транзисторов

Транзистор — это полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и работающий как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных устройствах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей [3]. В зависимости от значения сигнала управле­ния транзистор может находиться в закрытом (выклю­ченном) или в открытом (включенном) состояниях. Состояние транзистора зависит только от наличия сигнала управления.

По принципу действия различают следующие основные виды силовых транзис­торов:

• биполярные;

• полевые, среди которых наиболее распространены МОП- транзисторы типа металл-оксид-полупроводник ( MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor);

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

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

Биполярные транзисторы. Структура транзисторов состоит из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом электропроводимости. В зависимости от порядка чередования слоев полупроводника различают транзис­торы типов р- п- р и п- р- п. Устройство и характеристики транзисторов подробно изучаются в дисциплине «Электроника».

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и кол­лектора зависят от значения тока базы (управления). Следовательно, биполярные транзисторы являются электронными ключами, которые управляются током.

Биполярные транзисторы на ток 50 А и более рассчитаны на напряжение менее 1 000 В и частоту коммутации до 10 кГц. В интегральном исполнении по схеме Дарлингтона, составленной из двух и более транзисторов, номинальные токи транзисторов могут достигать нескольких сотен ампер.

МОП- транзисторы. Принцип действия транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воз­действием электрического поля. В качестве диэлектрика используются оксиды, например это диоксид кремния SiO₂. На рис. 1.10 изображены структуры и символы МОП- транзисторов с каналами n-типа.

Различают МОП- транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Эти типы транзисторов имеют следующие выводы: сток (D), исток (S), затвор (G), и вывод от подложки (В), соединяемой с истоком. В зависимости от типа электри­ческой проводимости канала различают транзисторы с п- и p-типами каналов.

Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей заряда. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например - типа.

В МОП- транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и под­ложки. В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток — исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе.

а б

Рис. 1.10. Структуры и символы МОП- транзисторов с проводящим каналом n-типа: а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом

Принципиальным отличием МОП - транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (электростатическим полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП- транзисторах обусловлены одним типом носителей заряда, что повышает их быстродействие, поэтому МОП- транзисторы называются униполярными транзисторами. Для увеличения мощности МОП- транзистора были созданы многоячейковые структуры. Обычно МОП- транзисторы рассчитаны на напряжение не более 600 В, но чаще используются при напряжении менее 100 В и токах до 50 А. Одной из причин, ограничивающих повышение рабочего напряжения, является необходимость утолщения полупроводнико­вых слоев транзистора для обеспечения его электрической прочности. В результате значи­тельно возрастает резистивное сопротивление транзистора в проводящем состоянии (до 1 Ом в полностью открытом состоянии), что создает значительное падение напряжения и увеличивает выделяемую мощность. Новым решением этой задачи стало создание Cool-MOS-транзисторов с измененной топологией структуры, что позволило снизить значение более чем на два порядка. МОП – транзисторы являются высокочастотными и работают на частотах 100 кГц и выше. Плотность упаковки современных низковольтных MOSFET достигает в настоящее время 100 млн элементарных ячеек на квад­ратный дюйм. Для высоковольтных MOSFET ре­альной революцией была технология создания суперперехода, реализован­ная Infineon Technology в семействе вы­соковольтных MOSFET- CoolMOS™. Поэтому высоковольтные MOSFET будут иметь все большее значение в диапазоне напряжений от 500 до 1200 В. В течение ближайших пяти лет на рынке могут появиться полевые тран­зисторы, управляемые p-n-переходом (VJFET) на базе карбида кремния (SiC). Также имеется потенциал для использования в качестве быстрых и стойких высоковольтных ключей каскодных соединений SiC — MOSFET.

СИТ. Полевые транзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи р- n-переходом (рис. 1.11). При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала СИТ минимально и он находится в открытом состоянии. При подаче на затвор положительного относительно истока потенциала толщина канала уменьшается и его сопротивление увеличивается, что позволяет управлять током в цепи сток — исток.

Рис. 1.11. Структура и символ СИТ

В транзисторе со статической индукцией p-n-переход смещен в обратном направлении и управление электриче­ским полем позволяет изменять значение заряда барьерной емкости этого пере­хода при незначительном потреблении мощности.

Структура СИТ обладает высоким быстродействием и значением коммутируемого тока при мно­гоканальном исполнении. Рабочая частота СИТ обычно ограничивается 100 кГц при напряжениях коммутируемой цепи до 1200 В. Коммутируемые токи дости­гают нескольких сотен ампер.

МОПБТ. Стремление объединить в одном транзисторе положительные свой­ства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ или IGBT (рис. 1.12).

Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.

Структура МОПБТ во многом подобна структуре МОП- транзистора. Разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью р⁺- типа, который придает МОПБТ свойства биполярного транзистора.

Выходная цепь МОПБТ состоит из биполярного транзистора типа р- п- р, а дополнительному р-n-переходу соответствует транзистор п- р- п- типа.

б в

Рис. 1.12. Структура (а), эквивалентная схема (б) и символ (в) МОПБТ

Транзисторы МОПБТ на базе одного большого кристалла - это прибор с рабочим током до 100 А и напряжением 3000 В. IGBT будут оставаться «рабочей ло­шадкой» силовой электроники как ми­нимум в течение следующих десятиле­тий. Блокирующее напряжение увеличится до 8000 В. Технология утопленного канала (trench- gate), развитая в настоящее время для IGBT на 600 и 1200 В, распространится на все классы напряжений до 8 кВ. В настоящее время параллельное включе­ние кристаллов в одном корпусе позволило создать модули на ток 1 кА и напряже­ние более 4,5 кВ.