Розанов Ю.К. Основы силовой электроники (1992) (1096750), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Существенным недостатком силовых биполярных транзисторов является большое значение токов управления ими, а также относительно низкое быстродействие. Развитие новых технологий в области полупроводниковых приборов привело к созданию силовых МОП-транзисторов, которые начинают успешно конкурировать с биполярными транзисторами в области силовой электроники. Силовые МОП-транзисторы (выполненные на основе металл — оксид — проводник) относятся к классу полевых транзисторов, в которых управление осуществляется электрическим полем. Полевые транзисторы являются униполярными приборами, так как протекание тока в них обусловлено перемещением носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле.
Регулирование значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Это обусловливает высокое входное сопротивление полевых транзисторов. В структуре МОП-транзистора можно выделить две сильнолегированные области противоположного типа проводимости по сравнению с остальным слоем чистого или слаболегированного кремния, называемого подложкой. Эти две области являются электродами полевого транзистора для подключения к основнои силовой цепи и называются сток Ю и исток Я (рпс.!.8,а).
Управляющий электрод--затвор 6 изолирован о г подложки слоем диэлектрика 1оксидом кремния для МОП-транзисторов). Подачей управляющего напряжения на затвор транзистора за счет создаваемого злекгрического прля в структуре транзистора осуществляется управление значейием тока стока. Четвертый электрод МОП-транзисторов †подлож в большинстве схем соединяется с истоком.
На рис. 1.8.,6 представлена статическая характеристика МОП-транзистора со встроенным проводящим каналом гг-типа, 8) гхнк Рнс.!.8. Статические характеристики МОП-транзистора с каналом л-типа: а — головное обозеачелае трзпюстора, 6 — лходиал харакзеристзю: е —.амхокзюе хзрех- териеппи 2 ЭЬ 3658 17 Из рис. 1.8, в видно, что выходные характеристики МОП- транзистора подобны выходным харйктеристикам пентода.
Без подачи напряжений на электроды сопротивление сток — исток велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При подаче на затвор напряжения 11о з через проводящий слой будет протекать ток, если приложить также напряжение между стоком и истоком. Увеличение последнего приводит к перекрытию проводящего канала у стока и к насыщению его тока.
Дальнейшее увеличение напряжения 1)и з практически не влияет на значение выходного тока Полевой транзистор с проводящим каналом р-типа управляется подачей отрицательных напряжений на затвор и сток относительно истока. Особенностью МОП-транзисторов является не только высокое, входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления), но и высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов лежит в диапазоне единиц наносекунд. Такаи скорость переключения обусловлена тем, что в ннх практически исключены токи накопленных зарядов неосновных носителей.
Кроме того, по сравнению с биполярными транзисторами силовые МОП-транзисторы имеют лучшие выходные характеристики для обеспечения пара,плельной работы. В то же время следует отметить большое значение входной емкости и повышенное сопротивление в проводящем состоянии МОП- транзистора. Повышение коммутируемой мощности силовых МОП-транзисторов потребовало значительных усилий многих разработчиков по исследованию различных структур МОП-транзисторов и совершенствованию технологии их производства. В настоящее время благодаря развитию высокоточной технологии полупроводников допустимые значения напряжений и токов силовых МОП-транзисторов существенно возросли.
Наиболее типичными являются приборы с коммутируемым током в десятки ампер и напряжением до 500 В. При этом сопротивление во включенном состоянии находится в диапазоне 0,2 — 0,5 Ом, Отдельные зарубежные фирмы сообщают о разработках на значительн,ые теки и повышенные напряжения МОП-транзисторов с малым сопротивлением во включенном состоянии. Так, например, .в 131 сообщается о разработке пРнборов на токи до 200 А прн сопротивлении 0,024 Ом.
Биполяриые транзисторы с изолированным затвором. Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов н МОП-транзисторов обусловили поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в зтоь) направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях 13 объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор — биполярный транзистор с изолированным затвором*. Этот новый тнп транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполярных транзисторов.
Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости 141. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по управлешпо временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах.
При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорошие температурные характеристики. Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик' гозволяют прогнозировать нх лидирующее положение в области силовых транзисторов. 1л.з.
тиРистОРы Силовыми полупроводниковыми приборами, отличающимися высокими значениями коэффициентов усиления по току управления (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений, являются тиристоры. Наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике в настоящее время является тиристор, Это по существу ключевой полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, вппочающийся по сигналу управления, а выключающийся прн спадании прямого тока до нуля.
Основой тиристора является полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с р- и л-типами проводимости (рис. 1.9). Прибор имеет три вывода, соответствующих аноду А, катоду С н управляющему электроду б. ' 1изи1агед баге В)ро1аг Тгаизгзгог (1ОВТ) (биноларны» транзистор с изолированнвни затвором). 19 Х ПШ ллектрод) Рис 1КХ Структура и внешние цепи тиристора Если к аноду прибора приложено отрицательное напряжение относительно катода, то переходы 1 и 111 будут смещены в обратном направлении (закрыты), а переход П вЂ” в прямом (открыт).
В результате тир исгор оказывается в закрытом состоянии, которое не может быть изменено подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода), т. е. воздействием на цепь управления. Если к аноду тиристора подключить плюс источника постоянного напряжения, а к катоду минус, то переходы 1 и П1 оказываются смещенными . в прямом направлении, а переход 11 — в обратном (закрыт). При отсутствии управляющего импульса (т. е. напряжения на управляющем электроде) тиристор остается в закрытом состоянии, а напряжение источника приложено к переходу П.
Для того чтобы тиристор перешел в проводящее состояние, необходимо обеспечить протекание через управляющий электрод определенного тока 1о. Так как к аноду тиристора приложено прямое напряжение относительно катода, ток (о переведет тирисгор в проводящее состояние. Перевод тиристора в проводящее состояние может быть также осуществлен облучением его полупроводниковой структуры световым потоком. На использовании этого эффекта разработаны тиристоры, управляемые светом; †фототиристоры. В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее, в р-и переходе П (рис. 1.9), находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока.
Существенным преимуществом фототирисгоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления. Тиристор с четырехслойной р-и-р-и структурой, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор— 20 гадка ге ф Рис. 1.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
