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 Iс 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.
|