Транзисторы. 
Электрические и электронные аппараты

Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более /?-и-переходов и способный работать как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. Основные виды транзисторов: биполярные, полевые и биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы п-р-п- и р-п-р-типов (рис. 10.6). Среди силовых транзисторов большее распространение получили приборы п-р-п-типа. Средний слой структуры называют базой (В), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером (Е), а собирающий носители слой — коллектором ©. Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Рис. 10.6. Структуры и символы биполярных транзисторов:

а — транзистор п-р-п-типа; б — транзистор р-п-р-типа Рассмотрим более подробно процессы, возникающие при подключении источников напряжения к транзистору п-р-п-типа. Подача прямого напряжения на эмиттерный р-я-переход (и_ВЕ > 0) и обратного напряжения на коллекторный (и_вс < 0) соответствует нормальному включению транзистора, которое обычно используется в силовой электронике. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается, а коллекторного — увеличивается. В результате происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Большая часть электронов достигает коллекторного перехода и под воздействием поля обратного смещения втягивается в слой коллектора. Таким образом, формируются токи эмиттера i_E и коллектора i_c. Разностью этих токов создастся ток базы i_B:

где (3 — коэффициент усиления по току.

Токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы. Следовательно, биполярные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током.

Биполярные транзисторы обычно включаются по схеме с общим эмиттером (рис. 10.7), на которой R_u — сопротивление нагрузки и R_y — сопротивление цепи управления с источником напряжения и_у. Выходной ВАХ называют зависимость тока коллектора i_c от напряжения коллектор-эмиттер и_с& а входной ВАХ — зависимость тока базы i_B от напряжения база-эмиттер и_ВЕ. Соответственно, передаточными (или проходными) характеристиками являются зависимости i_c= f (i_B) или и_СЕ = f (i_B) с учетом конкретного значения сопротивления нагрузки R_H. Статические выходные ВАХ при разных значениях тока базы представлены на рис. 10.8. В этой же системе координат дано зеркальное отображение линейной нагрузочной характеристики, определяемой сопротивлением R_H. Пересечение выходной характеристики (для определенного тока базы) с нагрузочной определяет режим работы транзистора, т. е. ток коллектора и напряжение и_СЕ.

Рис. 10.7. Подключение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Различают три режима работы транзистора: режим насыщения (см. рис. 10.8, область А), активный режим (область В) и режим отсечки (область С). В режиме отсечки (выключенное состояние) р-я-переходы транзистора смещены в обратных направлениях: и_ВЕ< 0, и_вс< 0 (для транзистора п-р-п-типа). В режиме насыщения (включенное состояние) наоборот: и_ВЕ > 0, и_вс > 0. В этом режиме справедливы соотношения:

где I_Bsat — граничное значение тока базы, при котором наступает насыщение; s — коэффициент насыщения (s > 1); Е, /_и — напряжение источника и ток нагрузки, соответственно. Коэффициент усиления (3 сильно зависит от тока коллектора и температуры кристалла транзистора.

Рис. 10.8. Выходные статические ВАХ биполярного транзистора

Таким образом, в силовых схемах биполярный транзистор используется как полностью управляемый электронный ключ. Если i_B = 0, то он находится в состоянии низкой проводимости (выключен), а при i_B > I_Bsat транзистор переходит в состояние насыщения (включенное). Биполярные транзисторы, номинальный ток которых превышает 50 А, рассчитаны на напряжение менее 1000 В и частоту коммутации до 10 кГц.

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного времени. Переходные процессы обусловлены инерционностью процессов изменения концентрации носителей электрических зарядов в структуре транзистора и наличием в ней внутренних (собственных) емкостей. Соответствующая схема замещения биполярного транзистора приведена на рис. 10.9, а. При поступлении в базу транзистора импульса тока управления I_m > I_Bsat (момент времени t = t₀ на рис. 10.9, в) начинается процесс заряда входной емкости С_ВЕ до некоторого напряжения, при котором начинается увеличение тока базы непосредственно в структуре транзистора (момент времени t = t_x). Этот процесс определяет время задержки на включение t_d^_ony В момент времени t = t₂ заряд в базе достигает граничного значения соответствующего наступлению режима насыщения, рост i_c и спад и_СЕ практически прекращаются. Время нарастания тока коллектора t_ri определяет фронт включения транзистора. Накопление в базе избыточного заряда AQ продолжается до момента времени t = ?₃. В момент времени t = t₄ в базу транзистора поступает отрицательный (запирающий) импульс тока -1_В2, начнется рассасывание избыточного заряда, что обусловливает задержку на выключение В момент времени t = t₅ транзистор начинает выходить из насыщения. Время спада i_c (tj_}) определяет фронт выключения (момент времени t = ?₆). Из-за наличия выходной емкости восстановление.

и_СЕ заканчивается позже. Существенное влияние на быстродействие оказывают коэффициент насыщения и токи управления, поступающие в базу.

Рис. 10.9. Динамические процессы в биполярном транзисторе:

а — схема замещения; б — диаграммы токов, заряда и напряжения.

Полевые транзисторы. Среди транзисторов этого типа наибольшее распространение получили приборы, имеющие структуру металл — оксид — полупроводник (МОП-транзисторы) (от англ. MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor). Их принцип действия основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика (оксида) и полупроводника под воздействием электрического поля. На рис. 10.10 показана структура МОП-транзистора, состоящая из слоев металла, диэлектрика и полупроводника с проводимостью р-тина. Если к этой структуре подключить источник напряжения Е положительным выводом к металлу, то дырки полупроводника будут перемещаться в направлении отрицательного потенциала внешнего источника, обедняя основными носителями слой полупроводника, граничащий с диэлектриком. При определенном напряжении образуется тонкий слой с проводимостью /7-типа, в котором электроны преобладают над дырками. Электрическая проводимость (а следовательно, сопротивление) этого индуцированного /7-канала зависит от напряжения источника (электрического поля).

Рис. 10.10. Принцип образования проводящего канала в структуре МОП-транзистора.

Различают два типа МОП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Оба типа имеют выводы из структуры транзисторов: сток (D), исток (S), затвор (G), а также вывод от подложки (fi), соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают также транзисторы с п- и //-типами каналов. На рис. 10.11 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами /7-типа. Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например п⁺. В транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на затвор относительно обедненных выводов истока и подложки. В результате они работают в режиме обогащения, что позволяет управлять током стока. В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток — исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для управления током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями зарядов.

Характерным для структур МОП-транзисторов является наличие внутреннего диода, встречно подключенного к транзистору, который может проводить обратный ток. Для усиления эффекта обратной проводимости к транзистору может быть подключен внешний быстродействующий обратный диод. Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (нолем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в полевых транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому их называют также униполярными транзисторами.

Рис. 10.11. Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом и-типа:

а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом Статические выходные ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 10.12. Управление транзистором с индуцированным каналом осуществляется подачей положительного напряжения u_GS > U_th — пороговое значение, при котором начинает образовываться электропроводящий канал. По мере увеличения u_GS происходят обогащение канала носителями и рост тока i_D. Крутые участки ВАХ соответствуют резкому увеличению тока стока i_D при увеличении напряжения затвор-исток u_GS. Далее рост тока i_D замедляется из-за обеднения канала под воздействием напряжения сток-исток u_DS. На участке возрастания тока ВАХ может быть аппроксимирована линейной зависимостью, что соответствует постоянному сопротивлению R_DS (_0П = AU_DS/I_D. Точки пересечения ВАХ и нагрузочной характеристики определяют режим работы транзистора, т. е. значения i_D и u_DS. Область ВАХ, ограниченная напряжением u_sat = u_GS — U_th|, соответствует полностью открытому состоянию МОП-транзистора. Закрытое состояние (режим отсечки) наступает при u_GS < U_th, ток i_D уменьшается до малого остаточного значения.

Полевые транзисторы являются приборами с малой коммутируемой мощностью (до 100 кВт). Обычно МОП-транзисторы рассчитаны на напряжение не выше 600 В и токи до 50 А. При повышении рабочего напряжения возрастает сопротивление транзистора в проводящем состоянии (Rps (on) ^ 1 Ом), что приводит к значительному падению напряжения сток-исток открытого транзистора. Выпускаются также транзисторы на напряжение до 100 В и токи до 100 А, имеющие сопротивление Rps (ап) — Ю МОм. МОП-транзисторы имеют высокое быстродействие и способны работать на частотах 100 кГц и выше. Полевые транзисторы широко применяются в схемах вторичных источников питания, статических реле и многих других электронных устройствах.

Рис. 10.12. Выходные статические ВАХ МОП-транзистора.

В МОП-транзисторах отсутствуют явления накопления и рассасывания носителей. Однако из-за конструктивных особенностей значения собственных межэлектродных емкостей в этих транзисторах больше, чем у биполярных. Главным фактором, определяющим время включения транзистора, является скорость заряда входных емкостей затвор-исток и затвор-сток. Для увеличения скорости заряда емкости затвора (повышения быстродействия) часто на начальном этапе используют форсированное включение от источника тока. На длительность процесса выключения существенно влияют выходная емкость сток-исток транзистора и сопротивление нагрузки.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Общепринятой русскоязычной аббревиатуры для этого типа приборов нет, можно использовать наименование МОП-БТ (биполярный транзистор с полевым управлением) [1]. Однако наиболее часто употребляют IGBT (от англ, insulated gate bipolar transistor). Эти транзисторы сочетают положительные свойства биполярного и полевого: имеют малые потери во включенном состоянии, подобно биполярному транзистору, и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для МОП-транзисторов. Структура IGBT во многом подобна структуре полевого транзистора (рис. 10.13, а). Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью р⁺-типа, который придает ему свойства биполярного транзистора. На рис. 10.13, б показана соответствующая эквивалентная схема, выходная цепь на которой представлена биполярным транзистором р-п-р-типа, а дополнительному р-п-переходу соответствует транзистор и-р-и-типа. При отсутствии напряжения затвор-эмиттер (и_СЕ = 0) транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом и-типа осуществляется подачей положительного напряжения затвор-эмиттер. Выходные ВАХ IGBT подобны характеристикам биполярных транзисторов, только управление выходным током i_c осуществляется не током базы, а напряжением u_GE (рис. 10.14). В закрытом состоянии IGBTспособны выдерживать без пробоя значительное обратное напряжение [3].

Рис. 10.13. Биполярный транзистор с изолированным затвором:

а — структура; б — эквивалентная схема; в — символьное обозначение.

Рис. 10.14. Статические вольт-амперные характеристики IGBT.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором относятся к ключам со средней коммутируемой мощностью (от 100 кВт до 10 МВт). В настоящее время широко применяются IGBT с номинальным напряжением 1200 В и током до 100 А. Рабочая частота таких приборов достигает 50 кГц. Созданы и используются также и высоковольтные /С/ГГ-модули на напряжение до 4,5 кВ и коммутируемым током до 2 кА. IGBTявляется основным прибором, используемым в преобразователях частоты для электропривода, а также в инверторах для систем бесперебойного электроснабжения.

Быстродействие IGBT определяется в значительной мере тем, что они сочетают свойства биполярных и полевых транзисторов. В начале включения переходные процессы сходны с процессами в МОП-транзисторах, а на конечном этапе включения затягивание спада напряжения коллектор-эмиттер соответствует характеристикам биполярного транзистора. При выключении IGBT характер процесса вначале аналогичен выключению полевого транзистора, а на конечном интервале — процессу в биполярном транзисторе из-за накопления избыточных зарядов в одной из областей структуры.