Будова і особливості роботи

Біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) – повністю керований напівпровідниковий прилад, основу якого складає тришарова структура. Для його увімкнення слід подати позитивну напругу між затвором і витоком, а для вимкнення – зняти її.

а б

Рис.1. Умовне позначення IGBT (а) та схема з’єднань транзисторів (біполярного та польового) в єдиній структурі IGBT (б)

IGBT є продуктом розвитку технології силових транзисторів зі структурою метал – оксид – напівпровідник, що керується електричним полем (MOSFET – Metal – Oxid – Semiconductor – Field – Effect – Transistor) і поєднує в собі два транзистора в єдиній напівпровідниковій структурі: біполярний (утворює силовий канал) і польовий (формує канал керування). Еквівалентна схема увімкнення двох транзисторів наведена на рис. 1б. Прилад уведений у силове коло виводами біполярного транзистора Е (еміттер) і С (колектор), а у коло керування – виводом G (затвор). Таким чином, IGBT має три зовнішних виводи: еміттер, колектор, затвор. З’єднання еміттера і стока (D), бази і витоку (S) є внутрішними. Поєднання двох приладів в одній структурі дозволили об’єднати переваги польових і біполярних транзисторів: великий вхідний опір з високим струмовим навантаженням і малим опором в увікненому стані. Схематичний переріз структури IGBT наведений на рис. 2 а. Біполярний транзистор утворений шарами р (еміттер), n (база) р⁺ (колектор); польовий – шарами n (витік), n⁺ (сток) і металевою пластинкою (затвор). Шари р⁺ і р мають зовнішні виводи, які вмикають у силове коло. Затвор має вивід, що вмикається у коло керування. На рис. 2б зображена структура IGBT IV покоління (напруга перемикань до 4500 В, струми до 1800 А), яка виконана за технологією «потопленого» каналу (trench – gate technology), яка дозволяє усунути опір між р – базами і зменшити розміри приладу у декілька разів.

Рис. 2. Схематичний переріз структури IGBT: а - звичайного (планарного);

б – виконаного за технологією trench – gate technology

Процес увімкнення можна розділити на два етапи: після подачі позитивної напруги між затвором і витоком відбувається відкриття польового транзистора (формується n-канал між витоком і стоком). Рух носіїв зарядів із шару n в шар р призводить до відкриття біполярного транзистора і виникненню струму від еміттера до колектора. Отже, польовий транзистор керує роботою біполярного.

Тиристори GTO

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, що використовуються для комутації як для високовольтних, так і сильнострумових кіл. Однак, вони мають істотний недолік – неповну керованість, яка проявляється в тому , що для їх вимкнення необхідно створювати умови зниження прямого струму до нуля. Це , у багатьох випадках, обмежує і ускладнює використання тиристорів. Для усунення цього недоліку виготовлені тиристори, які закриваються (переходять в стан низької провідності) сигналом кола керуючого електрода G. Тиристори, які вмикаються і вимикаються за допомогою кола керуючого електрода, називаються GTO – тиристорами (Gate turn-off thyristor) або двоопераційними.

Будова

Двоопераційний тиристор - повністю керований напівпровідниковий прилад, в основі якого класична чотиришарова структура. Його вмикають і вимикають подачею відповідно додатнього і від’ємного імпульсів струму на електрод керування. На рис. 2 наведені умовне позначення (а) і структурна схема (б) двоопераційного (GTO) тиристора. Подібно до звичайного тиристора він має катод К, анод А, керуючий електрод G. Відмінності в структурах приладів полягають в інакшому розміщенні горизонтальних і вертикальних шарів з n- і p- провідностями.

Рис. 2. Умовне позначення (а) та структурна схема (б) GTO тиристора

Найбільше видозміненим є катодний шар n. Він розбитий на декілька сотень елементарних комірок, що рівномірно розподілені по площі напівпровідникової структури і з’єднані паралельно. Таке виконання викликане необхідністю забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі напівпровідникової структури під час вимкнення приладу. Базовий шар p, незважаючи на те, що виконаний як єдине ціле, має велике число контактів з керуючим електродом ( приблизно рівне кількості комірок катодного шару), що також рівномірно розподілені по площі і з’єднані паралельно. Базовий шар n виконаний так само як і в звичайних тиристорах. Анодний шар р має шунти (зони n), які з’єднують n- базу з анодним контактом через невеликий розподілений опір. Анодні шунти використовуються для зменшення часу вимкнення приладу за рахунок покращення умов вилучення зарядів із базового шару n. Основне виконання тиристорів GTO у вигляді таблетки з чотиришаровою кремнієвою пластиною, що затиснена через термокомпенсуючі молібденові диски між двома мідними основами з підвищеною тепло- і електропровідністю. З керамічною пластиною контактує керуючий електрод, що має вивід в керамічному корпусі. Прилад затискається контактними поверхнями між двома половинами охолоджувача (радіатора), які ізолоьовані одна від одної.