39
4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ)1 можно рассматривать как сочетание мощного биполярного транзистора и управляющего МОП-транзистора. Управление БТИЗ осуществляется напряжением затвора, как и в случае МОП-транзистора, поэтому мощность, затрачиваемая на управление, невелика. Структура БТИЗ показана на рис. 4.9. Она похожа на структуру вертикального МОП-транзистора. Отличие заключается в том, что область коллектора является сильно легированной областью p + - типа. Добавление p - слоя приводит к образованию биполярного p-n-p-транзистора.
Рис. 4.9
Рис. 4.10 |
Рис. 4.11 |
Эквивалентная схема такого комбинированного устройства показана на рис. 4.10. Условное графическое обозначение БТИЗ показано на рис. 4.11. Обратим внимание на то, что электроды транзистора принято называть «эмиттер», «коллектор» и «затвор».
Недостаток высоковольтных МОП-транзисторов заключается в том, что они имеют значительное сопротивление открытого канала при
1 Часто используют аббревиатуру IGBT – от английского Insulated Gate Bipolar Transistor.
40
номинальном напряжении, превышающем 500 В. По этой причине потери в канале могут превышать потери биполярных транзисторов с таким же номинальным напряжением.
Слой p + в биполярном транзисторе с изолированным каналом инжектирует дырки в обедненный слой n− , что значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение между коллектором и эмиттером БТИЗ в открытом состоянии значительно меньше, чем напряжение сток-исток МОП-транзистора. Это одно из основных преимуществ БТИЗ. Недостатком этих приборов является меньшее быстродействие по сравнению с МОП-транзисторами. Уменьшение быстродействия вызвано накоплением заряда неосновных носителей в базе p-n-p-транзистора.
Рассмотрим кратко характеристики БТИЗ. Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора I к от напряжения коллектор-эмиттер U кэ при фиксированном напряжении между затвором и эмиттером
Iк = f (Uкэ )U зэ = const .
Выходная характеристика БТИЗ показана на рис. 4.12. Она подобна выходной характеристике МОП-транзистора.
I K , A |
U З =Э |
1 |
U З =Э |
1 |
U |
З |
=Э |
1 |
U |
З |
=Э |
9 |
U K Э , B
Рис. 4.12
Передаточная характеристика БТИЗ – зависимость тока стока от напряжения затвор-эмиттер при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером
41
Iк = f (U зкэ )Uкэ = const .
Биполярные транзисторы с изолированным затвором очень удобны для высоковольтных ( В) устройств, работающих на относительно невысоких частотах ( кГц). БТИЗ устойчивы к лавинному пробою, что позволяет применять их при напряжениях, близких к максимальным.
Положительные качества БТИЗ перед обычными биполярными транзисторами заключаются в существенно меньшей мощности сигналов управления, способности выдерживать высокие обратные напряжения. БТИЗ в значительной степени вытеснили биполярные транзисторы и тиристоры в мощных импульсных источниках вторичного электропитания. Они широко используются в устройствах управления электрическими двигателями, инверторах, мощных системах бесперебойного питания.
5.Выводы
1.Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.
2.Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком
(С)и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.
3.По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две
группы:
- с управляющим p–n-переходом;
- с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МОП-транзисторы).
4.МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в энергетической электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы.
5.Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру. Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов