Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)

Биполярные транзисторы этого типа выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным за­твором (ПТИЗ) и выходного биполярного n-p-n -транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания

таких приборов, однако наибольшее распростране­ние получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и допол­нительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имею­щих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, кото­рый не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 3.7 а. На этой схеме VT — полевой транзистор с изолированным затвором, T1 — паразитный биполярный транзистор, — по­следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ — сопротивле­ние, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора T1. Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис.3.7 6, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала .

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще

одним p-n -переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 3.7 в) появляется еще один p-n-p -транзистор T2.

 

 

Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т1 и Т2имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзисто­ра T2 влияет на ток базы транзистора T1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзистора T 2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют значения и соответственно, найдем и . Из последнего уравнения можно опре­делить ток стока полевого транзистора

(3.9)

Поскольку ток стока I_с ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряже­ние , на затворе определим ток IGBT транзистора

(3.10)

где — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изо­лированным затвором.

Очевидно, что при эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения и можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора.

На рис. 3.7 г приведены вольт-амперпые характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 полу­чено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряже­ния на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное со­противление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами T1 и T2, включенными последовательно.

 

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 3.8. Это обо­значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра­жается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 б

приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности им­пульса 10 мкс.

Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5...6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисто­ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследова­ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5... 1,0 мкс.

 

 

Контрольные вопросы

1. Расскажите об устройстве полевого транзистора с n-p -переходом.

2. Расскажите о принципе управления током в полевом транзисторе.

3. Нарисуйте выходные характеристики полевого транзистора с n-p -переходом. Расскажите о характерных областях характеристик.

4. Как устроен полевой транзистор МДП -типа?

5. Расскажите о дифференциальных параметрах полевых транзисторов.