ТЕМА № 2 АКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, IGBT

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, IGBT ТРАНЗИСТОРЫ
Санкт-Петербург

2020 г.

с управляющим p-n-переходом.
3. Особенности полевого транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник.
4.

Транзисторы силовой электроники – IGBT транзисторы

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ

у которых для управления электрическим током используется зависимость сопротивления токопроводящего

слоя (канала) от напряженности поперечного электрического поля.

полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик
(полевые транзисторы с изолированным затвором )

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

МДП-транзисторы со встроенным (собственным) каналом

p-n-ПЕРЕХОДОМ
4

металлического затвора на поверхности полупроводникового материала подложки образуется выпрямляющий контакт

(диод Шоттки). Применение металлического затвора позволяет значительно уменьшить размеры транзистора, а использование арсенида галлия для создания канала и высокоомной подложки - расширяет диапазон рабочих частот. Принцип его работы аналогичен ПТ с управляющим р-n-переходом. Обедненная носителями область барьера Шоттки определяет поперечное сечение проводящего канала

для управления током в канале перехода Шоттки позволило решить проблему

создания СВЧ транзисторов сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
Замена p-n-перехода контактом металл-полупроводник дало следующие преимущества:

позволило исключить из технологического процесса операцию диффузии, что дало возможность уменьшить длину канала до 0,5-1,0 мкм;

меньшая глубина залегания перехода металл-полупроводник позволила уменьшить проходную емкость затвор-сток, определяющую максимальную частоту устойчивого усиления;

- исключение температурной обработки материалов, связанной с процессом диффузии, дало возможность использовать для изготовления полевых транзисторов нового материала арсенида галлия (GaAs), подвижность электронов в котором в 3-4 раза превышает подвижность электронов в кремнии (Si).

электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT.
Аббревиатура заимствована

из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор - это электронный компонент, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой

мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом.

Процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n - канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

11

году, а уже в 1979 году была предложена схема составного

транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас пользователю доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

12

структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы

получили названия затвор - З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

13

любой полевой транзистор);
Имеют низкие потери в открытом состоянии;
Могут работать при температуре

более 1000C;
Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные особенности позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

14

– окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем).

Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.
MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.
Наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода.

15

полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в

полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому "+"), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

16

выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется

поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.
В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.
Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.
Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

17

ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора

и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.
Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET'ы.
Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому - напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество ячеек.
Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

18