14-04-2020-ЭЛЕКТРОНИКА-1.1-ГЛАЗАЧЕВ (1171923), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрацияpэлектронов повысится настолько, что превысит конПцентрацию дырок в этой области и здесь произойдетинверсия типа электропроводности, т.е. образуетсяРис. 4.9. Структура полевого транзисторас изолированным затворомтонкий канал n-типа и в цепи стока появится ток. Чемс индуцированным каналом n-типабольше положительное напряжение на затворе, тембольше проводимость канала и больше ток стока.Таким образом, такойОбластьтранзистор может работатьIсIснасыщениятолько в режиме обогащения.Вид его выходных характериU зи 3 U зи 2стик и характеристики управлеАктивнаяния показан на рис. 4.10.областьЕсли кристалл полупроU си constU зи 2 U зи 1водника имеет электропроводность n-типа, то области истокаОбластьи стока должны быть p-типа.U зи 1пробояТакого же типа проводимостибудет индуцироваться и канал,U сиесли на затвор подавать отриU зиU зи пор бацательное напряжение относиРис.
4.10. Статические характеристики МДП-транзисторательно истока.с индуцированным каналом n-типаГрафическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 4.11.86А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийВ последнее время МДП-транзисторыССвсё чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, –ЗЗMOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).ИИабВыводы:Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора1.
Полевой транзистор с изолированс индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)ным затвором это полупроводниковыйприбор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.2. В отличие от полевого транзистора с управляющим pn-переходом входное сопротивлениеполевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.3.
Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и врежиме обогащения канала свободными носителями заряда.4. Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.5. Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевыхтранзисторов при разработке микросхем.4.5.3. Сравнение МДП- и биполярного транзистораМДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме, или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа.
В табл. 4.1 приведено краткое обобщающее сравнение транзисторов этих двух типов.Таблица 4.1Свойства биполярных и МДП-транзисторовБиполярные транзисторыМДП-транзисторыФизические свойстваУправляемый физический процесс – инжекция Управляемый физический процесс – эффект поля,неосновных носителей заряда: изменяется вызывающий изменение концентрации носитеток управления – изменяется поток инжек- лей заряда в канале: изменяется управляющеетированных носителей заряда, что приводит напряжение – изменяется проводимость канала,к изменению выходного тока.что приводит к изменению выходного тока.Выходной ток обеспечивается носителями Выходной ток обеспечивается основными носизаряда обоих знаков (дырками и электронами). телями заряда одного знака (или дырками, илиэлектронами).Низкая теплостойкость: с увеличением тока Высокая теплостойкость: рост температурырастет температура структуры, что приво- структуры приводит к увеличению сопротивледит к большему увеличению тока.ния канала, и ток уменьшается.Особенности эксплуатацииПрибор управляется током, т.к.
на входе Прибор управляется напряжением, входное соимеется прямосмещенный p–n-переход и противление очень велико, т.к. входная цепь отвходное сопротивление мало.выходной цепи изолирована диэлектриком.Относительно небольшой коэффициент уси- Очень большой коэффициент усиления по току.ления по току.Необходимость специальных мер по повыше- Высокая помехоустойчивость.нию помехоустойчивости.Высокая вероятность саморазогрева и вто- Низкая вероятность теплового саморазогрева иричного пробоя: сужение областибез- вторичного пробоя – расширение ОБР.опасной работы (ОБР).Высокая чувствительность к токовым пере- Низкая чувствительность к токовым перегрузгрузкам.кам.87А.В. Глазачев, В.П.
Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийВ настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию,т.к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока вМДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющаяцепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах.
В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственныхшумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторыобладают более высоким быстродействием, т.к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления каналав открытом состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения нанасыщенном биполярном транзисторе.
Во-вторых, МДП-транзисторы имеют существенно меньшее значениепредельной температуры структуры, равное 150 0 C (для биполярных транзисторов 200 0 C ).К числу основных недостатков мощных МДП-транзисторов также следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов, возникающих в структуре транзистора на стадии егоизготовления.
Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний «паразитный»биполярный n–p–n-транзистор (рис. 4.12), образованный n -истоком (эмиттер), p-областью инверсного канала (база) и эпитаксиальным n слоем (коллектор). Паразитный транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-транзистора.Для сохранения положительныхсвойствМДПтранзистора и исключения начала работы биполярного транзистора часть p-области всегдаподключают к металлизированному контакту истока (это эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитноготранзистора). Биполярный транзистор оказывается запертым ине оказывает существенногоРис.
4.12. Паразитные элементы структуры мощного МДП-транзистора (а),эквивалентная схема базовой ячейки (б)влияния на работу полевоготранзистора. Однако быстрыйспад или, наоборот, рост напряжения «сток – исток» полевого транзистора, что является обычным вдинамических режимах, может привести к несанкционированному открытию паразитного транзистора, а это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей силовой схемы.Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент – обратновключенный диод.
Поэтому МДП-транзистор проектируют таким образом, что бы данный диодсоответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановлениязапирающих свойств.4.6. Комбинированные транзисторыВред от паразитного биполярного транзистора в составе МДП-транзистора можно обратить впользу, если к нему добавить ещё один дополнительный биполярный транзистор обратного типа проводимости по отношению к паразитному. Такое компромиссное решение, позволившее объединитьположительные качества биполярного и МДП-транзистора, представляет собой создание монолитнойструктуры, называемой IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).
Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая пластина с дырочной p -электропроводностью(рис. 4.13, а).88А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Электроника 1.1. Конспект лекцийРис. 4.13. Структура IGBT (а) и ее эквивалентная схема (б)В результате получится комбинированная схема рис. 4.13, б, содержащая: МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и подключённый к нему ещё один биполярный транзисторVT 2 . Образовавшаяся структура из транзисторов VT1 и VT 2 имеет положительную внутреннюю обратную связь, так как базовый ток транзистора VT1 является частью коллекторного тока транзистораVT 2 , и наоборот – базовый ток транзистора VT 2 является частью коллекторного тока транзистораVT1 .Коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT 2 равны, соответственно, 1 и 2 .Тогда токи коллектора и эмиттера определяются:(4.8)iк2 iэ2 2 ,(4.9)iк1 iэ11 ,iэ iк1 iк 2 iс.(4.10)Ток стока полевого транзистора определяется по выражению(4.11)iс iэ (1 1 2 ) .С другой стороны, ток стока можно определить через крутизну S стокозатворной характеристики:(4.12)ic SU зэ .Ток силовой части всей схемы определяется:SU зэiк iэ S эквU зэ ,(4.13)1 1 2 где S экв S– эквивалентная крутизна всей схемы.1 (1 2 )Очевидно, что при 1 2 1 эквивалентная крутизна значительно превосходит крутизну SМДП-транзистора, входящего в эту схему.
Коэффициентами 1 и 2 можно управлять величиной резисторов R1 и R2 , которая осуществляется на этапе изготовления этой схемы.Всю рассмотренную схему можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора, который управляется электрическим полем, как МДПтранзистор, но имеет по сравнению с ним значительно большую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, здесь отсутствует явление вторичного пробоя, характерное для классических биполярных транзисторов.Конструктивно IGBT выполняются в виде дискретных элементов (рис.
4.14, а) либо в виде силовых модулей (рис. 4.14, б), имеющих в своём составе несколько IGBT выполненных в едином корпусе.Условное графическое изображение транзисторов представлено на рис. 4.14, в, г. На рис. 4.15 изображены типовые коллекторные характеристики (выходные).Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзисторов, но значительно лучше,чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей вбазе биполярного транзистора, и как следствие – со временем рассасывания этих носителей.89А.В. Глазачев, В.П. Петрович.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
