6.1. Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трехслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 22, а приведено условное обозначение IGBT-транзистора.

а б

Рис. 22. Условное обозначение (а) и эквивалентная схема включения

двух транзисторов (б) в структуре IGBT-транзистора

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются результатом развития технологии силовых транзисторов со структурой «металл – оксид – полупроводник», управляемых электрическим полем (MOSFET – Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный p-n-p-типа (образующий силовой канал) и полевой с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа (образующий канал управления). Условное обозначение (см. рис. 22, а) подчеркивает гибридность IGBT-транзистора тем, что изолированный затвор изображается, как у полевого транзистора, а электроды коллектора и эмиттера, как у биполярного. Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 22, б.

Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления – выводом G (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними.

Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить преимущества биполярного и полевого транзисторов: высокое входное сопротивление (как у полевого транзистора) с высокими токовой нагрузкой и коммутируемой мощностью (как у биполярного) и малым сопротивлением во включенном состоянии, обеспечивающим значительное снижение напряжения меж-ду коллектором и эмиттером (что приводит к пропорциональному снижению мощности, рассеиваемой транзистором); малую мощность сигнала управления (так как управление осуществляется по цепи затвора полевого транзистора, то ток в ней практически равен нулю); способность выдерживать высокие значения обратного напряжения; хорошие температурные характеристики; устойчивость к короткому замыканию нагрузки (при своевременном выключении IGBT не теряет работоспособности).

Быстродействие IGBT-транзистора несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных. Исследования показали, что для большинства IGBT-транзисторов время включения и выключения не превышает 0,5 – 1 мкс.

Схематичный разрез структуры IGBT-транзистора приведен на рис. 23.

Биполярный транзистор в структуре IGBT-транзистора образован слоями p⁺ (эмиттер), n (база), p (коллектор). Полевой транзистор образован слоями n (исток), n⁺ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p⁺ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления.

Процесс включения биполярного транзистора с изолированным затвором можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется (индуцируется) n-канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

Как отмечалось выше, для обозначения электродов IGBT-транзистора применялись термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Строго говоря, в IGBT-транзисторах имеются две биполярные структуры: p-n-p- и n-p-n-типа. Названия выводов IGBT-транзистора могут представляться непривычными (особенно это относится к коллектору, так как фактически он подключен к эмиттеру силового биполярного транзистора p-n-p-типа). Тем не менее эти названия общеприняты.

EMBED Visio.Drawing.11

Рис. 23. Схематичный разрез структуры IGBT-транзистора

На рис. 24 приведены семейство выходных (а) и передаточная (б) характеристики IGBT-транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Именно эта схема применяется на практике.

Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при заданном напряжении между затвором и эмиттером, т. е. зависимость I_К = f (U_К-Э) при U_З-Э = const (характеристика аналогична выходной характеристике биполярного транзистора).

IGBT-транзисторы могут работать при достаточно высоких напряжениях U_К-Э, но возможности стенда для исследования полупроводниковых приборов позволяют исследовать семейство выходных характеристик в области малых напряжений U_К-Э.

Из рис. 24, а следует, что ток коллектора I_К начинает заметно увеличиваться после некоторого (в доли вольта) порогового значения напряжения U_К-Э. Это объясняется наличием p-n-перехода в области коллектора IGBT. Существенно влияет на увеличение тока I_К одновременное увеличение напряжения U_З-Э. При малых значениях напряжения U_З-Э после достижения некоторого значения напряжения U_К-Э рост тока прекращается. При достаточно большом напряжении U_З-Э наступает насыщение и напряжение U_К-Э лишь незначительно повышается с увеличением тока коллектора.

а б

Рис. 24. Семейство выходных (а) и передаточная (б) характеристики