Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 6

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Вихідна напруга підмикається між стоком і витоком (UCB), а вхідна напруга (керуюча) - між витоком та затвором (U3B), причому на за­твор подається зворотна щодо витоку напруга.

Принцип дії такого ПТ полягає у тому, що зі змінами вхідної напруги U3B змінюється ширина p-n переходів, що являють собою ділянки НП, збіднені носіями зарядів (запірний шар). Оскільки p-шар має більшу кон­центрацію домішки, зміна ширини p-n переходів відбувається, головним чином, за рахунок більш високоомного n-шару. При цьому змінюється переріз струмопровідного каналу, а отже і його провідність і відповідно вихідний струм І приладу.

Особливість цього транзистора полягає у тому, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга U3B, так і напруга UCB. Вплив на­пруг на провідність каналу ілюструє рис. 2.26, де заради спрощення не показані ділянки n-шару, розміщені поза p-n переходами.

На рис. 2.26,а зовнішню напругу прикладено лише у вхідному колі транзистора. Збільшення зворотної напруги на p-n переході призводить до зменшення провідності каналу за рахунок зменшення його перерізу (вздовж усього каналу). Та оскільки UCB=0, вихідний струм Іс=0.

U3B о

Ucb<-

а) б) Рис. 2.26 - Вплив напруг на провідність каналу ПТ з керуючим p-n переходом: а) при UCB = 0; б) при U3B = АВ

Рис. 2.26,6 ілюструє зміну перерізу каналу під впливом лише напруги UCB (U3B = 0). Коли UCB> 0, через канал протікає струм. Внаслідок цього виникає розподілений по каналу спад напруги, що зростає у напрямку стоку. Сумарний спад напруги ділянки стік-витік дорівнює UCB. Відпо­відно потенціали точок каналу вздовж нього неоднакові: зростають у напрямку стоку від нуля до UCB. Потенціал точок /ыиару відносно ви­току визначається потенціалом затвора відносно витоку і у даному ви­падку дорівнює нулю. У зв'язку із зазначеним, зворотна напруга, при­кладена до p-n переходів, зростає у напрямку витік-стік і p-n переходи розширюються у напрямку стоку. Це явище призводить до клиновидного зменшення перерізу каналу. Підвищення напруги UCB викликає збільшен­ня спаду напруги у каналі і подальше зменшення його перерізу, а отже, і провідності каналу. При певному значенні UCB межі обох p-n пере­ходів змикаються (див. рис. 2.21,6) і опір каналу стає великим.

Очевидно, що за сумарної дії UCB та U3B змикання p-n переходів від6увається швидше. При цьому у приладі діє автоматична система керування, що забезпечує протікання фіксованого значення І за по­дальшого після змикання росту UCB - струм через канал не залежить

від UCB.

Аналогічно працюють транзистори з каналом /ьтипу лише полярність напруг повинна 6ути зворотною. На рис. 2.27 наведені

р _ р

умовні позначення ПТ з        ^ ^ ^

керуючим p-n переходом.

Роботу таких транзис- В В

торів пояснюють сім'ї Рис. 2.27 - Умовні позначення ПТ з керуючим ВАХ двох видів: стокові і      p-n переходом: а) з каналом n-типу, стік-затворні. б) з каналом р-типу

Стокові (вихідні) характеристики, наведені на рис. 2.28, показують залежність струму стоку від напруги стік-витік за фіксованої напруги затвор-витік:

І с = f (U св ) Tj3B =const.

На ділянці 1 (Оа) маємо значну залежність І від вихідної напруги UCB. Це неробоча ділянка для випадку використання приладу як підси­люючого елемента. Тут його використовують як керований резистор.в

изв= о в

U3B= -0,3 в изв= -0,5 B изв= -0,8 B

изв= -1,5 в -*~ иСв

исва исвв

Рис. 2.28 - Стокові ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом

На ділянці 2 (ав) за­лежність вихідного стру­му від вихідної напруги мала. Це робоча ділян­ка у режимі підсилення.

Ділянка 3 відповідає пробою приладу.

Точці а відповідає змикання p-n переходів (напруга UCBJ. Причому при U3B = 0 транзистор повністю відкритий, а

чим вища напруга U3B (абсолютна величина), тим більше змикаються p-n переходи.

Напруга на затворі, за якої струм вихідного кола Іс=0, називається напругою запирання або напругою відтинання U3B . Числове значення U3B 0 дорівнює UCB у точці а ВАХ транзистора.

Стік-затворні (передатні) ВАХ відображають залежність струму сто­ку від напруги затвор-витік за фіксованої напруги стік-витік:

І с = f (U Зв )

T

св

Ucb=5 В

= const'

Передатна ВАХ зображена на рис. 2.29.

Параметри ПТ з керуючим p-n переходом:

U3b UJ*b 0

Рис. 2.29 - Передатна ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом

максимальне значення струму стоку ICmax (відповідає його значенню у точці в на вихід­них ВАХ при U3B=0), сягає від десятків міліампер до одного ампера;

- максимальне значення на­пруги стік-витік UCBmax (задають

у 1,2,1,5 рази меншим за напру­гу пробою ділянки стік-витік при U3B=0), становить до 100 В; - напруга відтинання U3B 0;

- внутрішній опір r

dlc

- крутизна стік-затворної характеристики S

Uзв = const'

die

dU

зв

св ■■ const'

.     „    . dUзв - вхідний опір rex =-, становить десятки мегаом.

di3

2.5.3. СІТ-транзистори

У середині 70-х років минулого століття багаторічні дослідження -У. Шеклі (США) з 1940 р., Нішізава (Японія) з 1950 р. - завершились створенням ПТ із статичною індукцією: СІТ-транзистора. Цей тран­зистор, будучи за суттю ПТ з керуючим p-n переходом, є твердо-тільним аналогом електронновакуумної лампи-тріода, у якої вихідна ВАХ при нульовому значенні сигналу керування за формою нагадує ВАХ p-n переходу. З ростом негативної напруги керування характе­ристики зсуваються вправо.

На відміну від площинної горизонтальної конструкції ПТ з керую­чим p-n переходом, СІТ-транзистор має вертикальну конструкцію: />-шари затвору вводяться в n-шар вертикально. Таке виконання за­безпечує роботу приладу при напругах до 2000 В й частотах до 500 кГц. А розміщення на одному кристалі великого числа елементарних тран­зисторів із наступним паралельним з'єднанням кількох тисяч елемен­тарних структур забезпечує робочі струми до 500 А - це вже є сило­вий електронний прилад!

Крім роботи у режимі ПТ, цей транзистор може працювати і у ре­жимі біполярного транзистора, коли на затвор подається позитивне зміщення і протікає струм керування. При цьому падіння напруги на приладі у відкритому стані значно зменшується.

Структура, умовне позначення та вихідні ВАХ n-канального СІТ-транзистора наведені на рис. 2.30. Зверніть увагу: в зображенні струк­тури транзистора індекси при позначенні типу провідності напівпро­відника (наприклад, n+, n-) вказують на ступінь його легування -на введення більшої або меншої кількості домішки, у даному разі -донорної.затвор

витік

в)

Рис. 2.30 - Структура (а), умовне позначення (б) та вихідні ВАХ (в) ^канального СІТ-транзистора

2.5.4. Польові транзистори з ізольованим затвором (МДН-транзистори)

На відміну від ПТ з керуючим p-n переходом, у яких затвор має безпо­середній електричний контакт із суміжною зоною струмопровідного кана­лу, у МДН-транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алюмінієву плівку (Al), ізольований від зазначеної зони шаром діелектрика. Тому МДН-транзистори належать до класу ПТ з ізольованим затвором.

Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих транзисторів (1012 . 1014 Ом).

Частіше як діелектрик використовують оксид кремнію (SiO2), і тоді ПТ називають МОН-транзистором (метал - оксид - НП). Такі тран­зистори бувають із вбудованим та індукованим каналами. Останні більш розповсюджені.

Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом n-типу зобра­жена на рис. 2.31.

В З С icl

U3B порог

а) б) Рис. 2.31 - Конструкція (а) і стік-затворна характеристика (б) МОН-транзистора з індукованим каналом

При U3B = 0 або від'ємному, Іс = 0 (дваp-n переходи увімкнені зустріч­но). При позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверхневий шар на межі НП із діелектриком збагачується електронами, що притягують­ся з глибини /ыиару (де вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище інверсії НП у примежовій зоні, коли р-шар стає n-шаром. Таким чином, між зонами n-шарів наводиться (інду­кується) канал, по якому може протікати струм від стоку до витоку.

Отже, при U3B = 0 МОН-транзистор закритий. А для його відкриван­ня, як видно з стік-затворної ВАХ (рис. 2.31,б), U3B повинно перевищи­ти деяке порогове значення U3B порог за якого виникає канал.

При наявності струму стоку, як і у транзистора з керуючим p-n пе­реходом, за рахунок розподілення по довжині каналу падіння напруги від нуля до UCB, канал (p-n перехід між з'єднаними каналом зонами n та зоноюp) звужується у напрямку стоку. За деякого значення напруги UCB канал перекривається так, що подальше збільшення струму стоку не відбувається. Тому вихідні ВАХ ПТ з ізольованим затвором подібнідо ВАХ ПТ з керуючим p-n переходом, тільки характеристики прохо­дять вище зі збільшенням напруги U3B.

У ПТ з вбудованим каналом зони n-типу з'єднано перетинкою - тон­ким шаром n-типу. В результаті канал під дією напруги U3B може як розширюватись, так і звужуватись (до повного змикання) залежно від знаку U3B.

Умовні позначення МДН-транзисторів наведені на рис. 2.32.

а) б) в) г)

Рис. 2.32 - Умовні позначення МДН-транзисторів з каналами: вбудованим n-типу (а); вбудованим p-типу (б); індукованим n-типу (в); індукованим p-типу (г)

ПТ широко використовують як дискретні компоненти електронних пристроїв, а також у складі інтегральних мікросхем.

Зазначимо, що у силових пристроях біполярні транзистори останнім часом практично витіснені польовими.

2.5.5. Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ)

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ, англійською: IGBT - insulated gate bipolar transistor) з'явилися у 80-х роках мину­лого століття і відтоді інтенсивно використовуються як силові прилади, витісняючи у багатьох застосуваннях тиристори.

Структура, умовне позначення, еквівалентна схема та вихідні ВАХ БТІЗ наведені на рис. 2.33.

Як видно, він являє собою складну багатошарову структуру, ство­рення якої стало можливим із розвитком інтегральної технології: це вже, фактично, інтегральна мікросхема.

Таку структуру ще називають схемою псевдо-Дарлінгтона, хоча вірні­ше було б назвати її схемою псевдо-Шиклаї (див. рис. 2.22,а та рис. 2.23.)

Таким чином, БТІЗ є приладом комбінованого типу, що поєднує у собі переваги біполярних транзисторів (невеликі втрати потужності) і польових (невелика потужність керування).

Рис. 2.33 - Структура (а), умовне позначення (б), еквівалентна схема (в) та вихідні ВАХ (г) БТІЗ

Ці транзистори масово випускаються на напруги до 1800 В за час­тоти 100 кГц та сили струму до 2000 А, що забезпечується паралель­ним з'єднанням великої кількості (до кількох сотень тисяч) елементар­них транзисторів на одному кристалі (як і у СІТ-транзистора).

При розрахунку силових електронних пристроїв одним із основних параметрів електронних ключових приладів (що визначає втрати енергії у приладі, а, отже, ступінь його нагріву) є падіння напруги на приладі у відкритому стані, для транзисторів - у режимі насичення.

З наведених на рис. 2.33,г вихідних ВАХ БТІЗ типу SKM 500 GA-3 фірми SEMIKRON (Німеччина), максимальне значення струму колектораякого становить 550 А, видно (тут показано початкові ділянки ВАХ), що падіння напруги на транзисторі у режимі насичення досить значне. Більш того, воно не буває меншим десь за 0,8 В. Це пояснюється на­явністю в області колектора БТІЗ базо-емітерного p-n переходу біпо­лярного транзистора p-n-p типу. Значення падіння напруги залежить від площі p-n переходу і об'єму n шару.

Аналогічні параметри біполярних транзисторів кращі (падіння напру­ги у режимі насичення складає від 0,2 В). У традиційних тиристорів вони також кращі (падіння становить від 1 В - у порівнянні з біполярними транзисторами воно збільшене на падіння на базо-емітерному переході біполярного транзистора p-n-p типу, що зрозуміло з еквівалентної схеми тиристора, наведеної на рис. 2.34,б). У тиристорів, призначених для роботи на підвищених частотах (сотні герц), падіння десь таке ж, як і у БТІЗ.

А взагалі вихідні ВАХ БТІЗ, якщо не враховувати наведеного вище, подібні до вихідних ВАХ ПТ з ізольованим затвором.

Окрім дискретного виконання, БТІЗ також продукують і у вигляді модулів, в яких міститься від одного до семи транзисторів, а також зворотні діоди (див. VD на рис. 2.22,б). Це дозволяє зменшити габари­ти електронних пристроїв (приклад виконання див. у пп. 11.4).

Також зазначимо, що фірмою Toshiba semiconductor розроблено біпо­лярний транзистор з ізольованим затвором та збільшеною інжекцією IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor). Цей прилад має пряму (залишкову) напругу і густину струму, що відповідають потужним біполярним (зви­чайним) тиристорам, а динамічні параметри перемикання характерні для IGBT. Зараз випускається кілька типів IEGT-модулів притискної та паяної конструкції, у тому числі і надпотужних на струм 750 А і напругу 6,5 кВ.

У поєднанні з широкою номенклатурою типових керуючих пристроїв у мікровиконанні БТІЗ у наш час якнайширше застосовують в при­строях енергетичної електроніки.

2.6. Перемикаючі напівпровідникові прилади (тиристори)

Тиристор (від грецького thyra - двері + резистор) - це напівпровід­никовий прилад, що має багатошарову структуру і ВАХ якого має ділян­ку з негативним опором. Його використовують як перемикач струму.

Тиристори бувають двоелектродні (або діодні) - диністори та три­електродні (або тріодні) - триністори.

2.6.1. Диністори

Двоелектродний тиристор (диністор) вперше було описано Дж. Мол-лом (США) у 1956 році.

Диністор має чотиришарову структуру, як зображено на рис. 2.34. У нього є три p-n переходи, причому, за зазначеної полярності джерела напруги UA, два крайні з них і П3) зміщені у прямому напрямку, а середній (П) - у зворотному (рис. 2.34,а).

Анод\~

Ei

п V/////A

I=Iei

П2

Пі

Q

Бі~2

Кі2

VT1

Rh

Ua 9

Ei

Бі Кі

Р

n

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка