Разновидности биполярных транзисторов

Точечный транзистор — первый полупроводниковый прибор, в котором обнаружен эффект усиления. В 1948 г. американские ученые Д. Бардин и В. Браттейн в процессе исследования поверхностных явлений в точечном германиевом диоде расположили вблизи основного контакта диода еще одну иглу-зонд (рис. 3.22, а) и оказалось, что при значительном обратном напряжении ток зонда повторяет изменение тока основного контакта. Это явление после технологической обработки реализовано в виде точечных транзисторов.

При формовке контактов под иглами образуются слои: p-типа под эмиттером, двойной p-n-слой под коллектором (обусловлено различием материала игл и режимом формовки).

Таким образом, получаем четырехслойную трехпереходную сферическую структуру, существенно отличающуюся от плоскостных приборов. Главным из отличий является то, что в этих структурах имеет место усиление тока в схеме с ОБ, т. е. а > 1 (обычно, а = 2н-5, доходит до Юн-20 и более). Допустимая рассеиваемая мощность таких приборов мала и составляет несколько 100 мВт, 1_ко ~ 1н-2 мА, г_к = 7н-15 кОм, г_э ~ г_б = до 500 Ом, т. е. параметры их значительно хуже, чем у плоскостных. И сегодня они с успехом заменены дрейфовыми и лавинными транзисторами. В качестве примера можно привести семейство выходных ВАХ таких приборов (рис. 3.22, б).

Рис. 3.22. Структура (а) и ВАХ (б) точечного биполярного транзистора.

Лавинный транзистор — прибор, использующий ударную ионизацию в коллекторном переходе, которая дает возможность получить S-образную (неоднозначную по напряжению) выходную характеристику в схеме с ОЭ.

Для случая (рис. 3.23, а) схемы ОЭ можно получить выходные ВАХ в зависимости от величины токов (рис. 3.23, б).

Рис. 3.23. Схема включения и ВАХ лавинного транзистора.

Проводя элементарный анализ лавинного транзистора, т. е. умножая выражение для тока (активного режима) транзистора в виде 1_к=а1_э + 1_К0 на коэффициент ударной ионизации 1_К = М (а/_Э + /_ко) и подставляя 1_Э=1_К+ /_б получим /_к = (Ма 1_Э + М1_ко)/(1 + Ма), где М — является функцией напряжения, а, а — тока.

Это выражение представляет собой ВАХ в неявном виде. Преобразуя его и считая, что /_к «/_б (следовательно, и /_ко), получим U_K ~U_MJl-a, дифференцируя которое по току, получим упрощенную формулу для сопротивления:

С ростом тока величина da/dl₃, а следовательно, и г_к уменьшаются, стремясь к нулю. Поэтому в какой-то точке г_к становится положительной величиной.

Таким образом, характеристики лавинного транзистора напоминают характеристики тиристора или тиратрона. Интересно отметить, что в случае /_б > 0 «отрицательный участок» в принципе тоже возможен, но для этого требуется весьма критическое сочетание параметров.

Основным недостатком такого прибора является высокое коллекторное напряжение.

Однопереходный транзистор (ОПТ) (двухбазовый диод, например, КТ117, 119 б/к). Это прибор с «отрицательным» сопротивлением, в котором ток нагрузки может возрастать даже при уменьшении U_BX.

Если ОПТ находится во включенном состоянии, то выключить его можно лишь размыкая цепь, либо снимая 1/_вх. На ОПТ реализуют различные источники запускающего напряжения. Можно подать U_CM < U_nop (точка включения), тогда при подаче большого П_зап (переменное или постоянное) происходит его включение. При этом вырабатывается выходной импульс или сигнал высокого напряжения, который сохраняется до разрыва цепи.

ОПТ — кремниевый управляемый вентиль с анодным управлением.

Управляющий вентиль — четырехслойная структура типа р-п-р-п, в которой все четыре области подключены к соответствующим выводам. Его можно представить в виде (рис. 3.24, а).

Оба транзистора включены так, что выходной сигнал с коллектора п-р-п поступает на вход (базу) р-п-р и наоборот. При подаче прямого U_3an на базу п-р-п он включается, и в цепи коллектор-эмиттер протекает ток 1_Э. Так как коллектор (п-р-п) соединен с базой р-п, то р-п-р также включается, а напряжение его коллектора U_{K вых} подается на базу п-р-п и добавляется к напряжению запуска. Ток нагрузки /_нагр протекает через оба транзистора (т. е. с эмиттера п-р-п к эмиттеру р-п-р). Ток не прекращается, даже если снять П_зап, потому что протекающий ток поддерживает включенное состояние обоих транзисторов (аналогичные процессы протекают и при подаче «-"Н_зап к базе р-п-р).

В обычных условиях протекающие токи сохраняются до тех пор, пока присутствует напряжение на нагрузке, а при изменении ток не достигает «О» уровня. Но при /_нагр меньше определенного уровня ОПТ может быть выключен с помощью П_упр (если на базу п-р-п подать.

«-» U_3an, то в цепи эмиттер-коллектор ток уменьшается и снижается степень включения р-п-р и выходной сигнал с его коллектора добавляется к выключающему U_3an (на базе п-р-п)). Этот процесс идет до тех пор, пока /_нагр не прекратится.

Рис. 3.24. Структура, обозначение и статическая эмиттерная характеристика ОПТ.

На рис. 3.24, б приведено принятое обозначение ОПТ, а на рис. 3.24, в — статическая эмиттерная характеристика ОПТ. Выделены области отсечки, «отрицательного» сопротивления и насыщения. В области отсечки эмиттерный переход, смещен в обратном направлении, хотя в точке максимума эмиттер имеет небольшое прямое смещение.

В точке минимума эмиттерный переход смещается в прямом направлении. При отсутствии тока 1_В2 ВАХ представляет собой характеристику обычного Si-диода.

Наличие участка с «отрицательным» сопротивлением позволяет создавать на ОПТ различные схемы релаксационных генераторов.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного п-р-п ВТ. Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

При изготовлении ПТ с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный ВТ, который не находил практического применения. Схематически такой транзистор показан на рис. 3.25, а, где VT — ПТ с изолированным затвором; VTj — паразитный ВТ; — последовательное сопротивление канала ПТ; R₂ — сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер ВТ VT^ Благодаря сопротивлению R ВТ заперт и не оказывает существенного влияния на работу ПТ VT. Выходные ВАХ ПТИЗ, приведенные на рис. 3.25, б, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R_v

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-н-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 3.25, в) появляется еще один р-п-р-транзистор VT₂.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов УТ_г и VT₂ имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора VT₂ влияет на ток базы транзистора VT_l3 а ток коллектора транзистора УТ_г определяет ток базы транзистора VT₂.

Рис. 3.25. Структура, ВАХ ПТИЗ и IGBT.

Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов VTj и VT₂ имеют значения а_г и а₂ соответственно, найдем /_к2 = сх₂/_э2, 1_к1 = а_г1_Э1 и 1_Э= 1_к1 +1_к2+1_с.Из последнего уравнения можно определить ток стока ПТ /_с =/_э(1-а₁ -а₂).

Поскольку ток стока 1_С ПТИЗ можно найти через крутизну S и напряжение U₃ на затворе I_c = SU, определим ток IGBT транзистора:

где S_K = S/[l — (а_г +а₂)] — эквивалентная крутизна БТ с изолированным затвором.

Очевидно, что при а_г + а₂ * 1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения и а₂ можно изменением сопротивлений R_l и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. 3.25, г приведены ВАХ IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Например, для транзистора BUP 402 получено значение крутизны 15 А/В.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 3.26, а. Оно подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера как у БТ.

Рис. 3.26. Условное графическое изображение БТИЗ и его ВАХ.

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами VI_г и VT₂, включенными последовательно.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 3.26, б приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности импульса 10 мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, имеющего значение 5^-6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия ПТ, но значительно выше быстродействия БТ. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT время включения и выключения не превышает 0,55 -ь1,0 мкс.

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой ПТ с управляющим р-п-переходом, который может работать как при обратном (режим ПТ), так и при прямом (режим БТ) смещении затвора. В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база БТ, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от БТ обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет собой нормально открытый прибор с управляющим р-п- переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состоянии. Перевод транзистора в непроводящее состояние осуществляется при помощи запирающего напряжения П_зи отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления канала R_m в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

СИТ, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ по сравнению с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20…25 нс при задержке не более 50 нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное состояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в биполярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключения, которая может составлять от 20 нс до 5 мкс.

Специфической особенностью СИТ, затрудняющей его применение в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Для его запирания необходимо подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсечки.

Этого недостатка лишены БСИТ, в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю. Благодаря этому БСИТ при отсутствии напряжения на затворе заперты, так же как и БТ, что и отражено в названии транзистора — биполярные СИТ.

Поскольку СИТ и БСИТ относятся к разряду ПТ с управляющим р-п- переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ можно только по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника. Сравнительные характеристики некоторых типов СИТ и БСИТ транзисторов приведены в табл. 3.2.

Несмотря на высокие характеристики СИТ и БСИТ, они уступают ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. Типовые ВАХ СИТ приведены на рис. 3.27.

Сравнительные характеристики транзисторов.

Рис. 3.27. Типовые вольт-амперные характеристики СИТ

К достоинствам СИТ следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет ОД—0,025 Ом.