Біполярні транзистори з ізольованим затвором

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БПТІЗ), це структура в якої вхідним транзистором є польовий транзистор з ізольованим затвором, а вихідним являється біполярний n-p-n – транзистор. При виготовленні польових транзисторів з ізольованим каналом, що мають вертикальний канал утворюється паразитний біполярний транзистор, що обмежує його широке використання. Схематично такий транзистор можна представити схемою рис.69

де VT1-польовий транзистор з ізольованим затвором

VT2- паразитний біполярний транзистор,

Рисунок 69. Схема заміщення ПТ із вертикальним каналом та його вольт-амперні характеристики.

R1- послідовний опір каналу ПТ,

R2- опір шунтування переходу база-емітер біполярного транзистора.

Опором R2 біполярний транзистор замкнений і істотно не впливає на роботу польового транзистора. Основним недоліком такого транзистора є те, що він має малу крутість вольт-амперної характеристики і порівняно велику залишкову напругу при роботі в імпульсному режимі.

Кращими характеристиками володіють IGВТ – транзистори (Insulated Gate Bipolar Transistor), в яких вдало використовуються особливості польових транзисторів з вертикальним каналом та біполярного транзистора.

Щоб отримати IGВТ – транзистор, БПТІЗ доповнили ще одним p-n-p переходом і в схемі заміщення з’явився ще один p-n-p – транзистор VT3 рис.69.

Рисунок 70 . Схема заміщення транзистора типу IGВТ і його вольт-амперні характеристики

Структура, що складається із двох транзисторів VT2 та VT3 має глибокий внутрішній позитивний зворотний зв’язок. Струм колектора транзистора VT3 впливає на струм бази транзистора VT2, а струм колектора транзистора Т2 визначає струм бази транзистора VT3. Якщо мати на увазі, що коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів VT2 та VT3 мають значення α₂ і α₃ то можемо знайти струми в схемі

I_к3=I_e3 α₃ , I_к2=I_e2 α₂

Спільний струм емітера структури буде рівний

I_e= I_к2+ I_к3+ I_с

з цього рівняння можна визначити струм стоку польового транзистора типу IGВТ

I_с= I_e(1- α₃-α₂)

Струм стоку польового транзистора залежить від крутості S транзистора та напруги прикладеної між затвором і витоком

I_с=SU₃

Якщо відомо струм стоку транзистора типу IGWТ, то можна знайти еквівалентну крутість

SU₃=I_e(1- α₃-α₂)=I_k=I_e

Звідси знаходимо

I_k=I_e=

Тобто еквівалентна крутість IGWТ біполярного транзистора з ізольованим затвором рівна

S_e=

При умові, що (α₃+α₂)≈1 еквівалентна крутість біполярного транзистора з ізольованим затвором буде більшою ніж у польового транзистора з ізольованим затвором. Величини α₃ і α₂ можна регулювати зміною опорів R1 і R2 при виготовленні транзисторів. Із наведених вольт - амперних характеристик очевидно значне збільшення крутості порівняно з ПТІЗ, що особливо важливо при роботі IGВТ в ключовому режимі. Спадання напруги при замкнутому ключі значно менше ніж на ПТІЗ, тому що шунтування опору каналу відбувається двома насиченими транзисторами VT2 і VT3 ввімкненими послідовно.

На базі IGВТ виготовляються силові модулі на струми і напруги комутації І_к=102400 А U_к=6003300 В , що практично не можливо досягнути на БПТ.

До недоліків транзисторів типу IGВТ можна віднести:

1. Швидкодія їх нижче швидкодії польових транзисторів, але значно вище швидкодії біполярних транзисторів і знаходиться в межах 0.510 мкс.

2. В основу транзисторів типу IGВТ взяті ПТІЗ і індукованим каналом, то напруга на затворі для створення каналу повинна бути більше граничної напруги, яка лежить в межах 56 В.