Учебная работа. Учебное пособие: Биполярные транзисторы

(4.14)

где <»r=pot0p граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы.

Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рис. 4.8 б. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, определяемый формулой

(4.15)

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект­ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоник.

Лекция 5. Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба на­звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле­ние током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят­ся на две группы: с управляющим р-л-переходом и с изолированным затвором.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли­рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiOi. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. ток утечки затвора пренебрежи­мо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале элек­трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется я-каналом. Каналы с дыроч­ной проводимостью называются ^-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом п- или р-ттов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал.

Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак­ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка­нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К — кремний, А — арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер раз­работки транзистора. пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На­пример, транзистор КП302А — кремниевый, полевой, малой мощности, высоко­частотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим р-н-треходам приведено на рис. 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро­вать ток в канале. На рис. 5.1 б приведен полевой транзистор с каналом /»-типа и затвором, выполненным из областей п-типа. увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводи­мости канала, поэтому полевые транзис­торы с управляющим ^-п-переходом рабо­тают только на обеднение канала носите­лями зарядов.

поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображениисплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. На­правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имею­щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на­правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускают­ся только ПТИЗ со встроенным каналом ^-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графи­ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно­му напряжению на стоке. наоборот, все характеристики приборов с каналом ^-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица­тельное

характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /„„«ч- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про­исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1/пор. Увеличе­ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря­жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере­гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряже­ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто­ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен­тодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро­тивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения — как усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора опре­деляется уравнением

Ic

= 2
k
[
(
Un

—
U
зн

)
U
сн­

–
U
сн

/2
]
.
(5.1)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, U„ —-пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мди — напряжение между затво­ром и истоком, йен — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, пола­гая В (5.1) Уа.^0:

ic

»
2k(Un
— U
зн

)U
сн

(5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об­ласти

Rc
= U
сн

/ ic
= 1/ 2k(Un
— U
зн

)
(5.3)

Из выражения (5.3) следует, что при Иэм=0 сопротивление канала будет мини­мальным Rmm= f(2kUn). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна­чению Мзн—t/in то сопротивление канала возрастает до бесконечности: Re-*00
. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат­воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив­ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже­нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

^с=
И» =
lk
(u
»~ ^п-Усн), откуда получаем

r
c

.диф

=1/ 2
k
(
U
зн

—
Un

—
U
сн

)
5.4

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке t/сн нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран­зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5… 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб­ственным сопротивлением канала.

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговом) значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи­мостью.

Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. такой ключ способен пропускать доста­точно большой ток (до 10 А и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей.

Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением

I
с

=
k
(
Un

—
U
зн

)2

, (5.5)

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практи­чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при условии, что Мзи=0:

ic

пог

=
kU
2

n

(5.6)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента k, введенного в фор­муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив начальный ток стока г’снач и пороговое напряжение (/„ (или напряжение отсечки t/отс), так как, _ isнач fcT

k= ic

пог

/ U 2
n

(5.7)

поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основ­ном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики:

S=
|
dic
/ d
изн

|
= 2k(Un
— U
зн

)
(5.8)

Из уравнения (5.8) следует, что максимальное значение крутизна имеет при Мзи=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при

Um^^n становится равной нулю. Используя максимальное значение крутизны Sm^’2-kUn, уравнение (5.8) можно записать в виде

S
=
Smax

(1-
U
зн

/
Un

)
(5.9)

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно пред­ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе t/зи. При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма­лого сигнала, используя (5.8), получим

D
ic

=
S
D
U
зн

(5.10)

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 я. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе­мой замещения, легко найти усиление простейшего усилительного каскада на по­левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при­веденную на рис. 5.7 в, для которой можно найти напряжение на нагрузке:

Un

= —
ic
Rn

= —
U
зи

SRn

U
зн

=
Uc

Откуда

Ky
= Un
/ Uc
= SRn

Рис 5.7. простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (6), эквивалентная схема (в) и схема замещения в ^-параметрах (г)

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транзис­тора усложняют введением других параметров, которые учитывают неидеаль­ность транзистора. Уточненная схема замещения долевого транзистора для малых сигналов приведена на рис. 5.7 г. этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в ^-параметрах (параметрах прово­димости):

I
з

=
y
11

U
з

+
y
12

U
0

Ic

=
y
21

U
з

+
y
22

Uc

5.11

Физический смысл параметров, используемых в уравнениях (5.11), можно ус­тановить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выхо­де схемы замещения. При коротком замыкании на выходе (Uc=0) находим два параметра,

y
11

=
i
3

/
U
3

и
y
22

=
ic

/
U
3

.
(5.12)

Аналогично при коротком замыкании на входе (uj=o) находим два других параметра

y
12

=
i
3 /

U
3

и
y
22

=
ic

/

Uc

(5.13)

Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что ^ц является проводимостью утечки затвора полевого транзистора, а у^ — его выходной проводимостью, у^ называ­ется проводимостью обратной передачи и учитывает влияние напряжения на сто­ке на ток затвора, ay^=S — это крутизна полевого транзистора (или проводи­мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло­жить Уп=Уп=у-а=0.

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится ток утеч­ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в боль­шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работаю­щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе­ристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы. В усилительном режиме транзистор обычно работает при малом уровне сигнала и, соответственно, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависи­мости токов и напряжений. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его комму­тации и искажения фронтов импульсов.

Если пре­небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще­ния будут иметь значения

y11
= y
вх

=
j
w
(
l
зс

+
l
зх

),
y
22

=
y
вых

=
g
сн

+
j
w
l
зс

,
y
12

= —
j
w
l
зс

и y
21

=
S
—
jl
зс

(5.14)

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у„ полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор /уа. В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте.

Следует, однако, отметить, что многие из параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от постоянных напряжений на его электродах. Так, например, крутизна S зависит от напряжения на затворе 1/эи (см. формулу 5.9). Для транзисторов с^-п-переходом емкости затво­ра С,и и Сщ являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются.

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при­мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро­ванным каналом п-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис. 5.8 б. Для переключения транзистора на его затвор подается прямоугольный импульс напряжения t/.x, изображенный на рис. 5.8 в. При рассмотрении переходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведенная на рис. 5.8 а.

При подаче прямоугольного импульса от источника t/„ вначале проис­ходит заряд емкости Сщ через сопротивление источника сигнала 7t„- До тех пор, пока напряжение на емкости Сзд не достигнет порогового напряжения t/nop, ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению источника пита­ния Ее.

Когда емкость Сэм зарядится до t/nop. транзистор некоторое время будет нахо­диться в области насыщения, а его коэффициент усиления, как показано раньше, будет иметь значение Ky^SR». В этом случае входная емкость транзистора резко увеличится и будет равна

Свх
=
C
зи

+ (1+
ky

)
C
зс

(5.15)

Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается обратно пропорционально увеличению емкости С„. По мере увеличения на­пряжения на С„ будет постепенно нарастать ток стока и уменьшаться напря­жение на стоке. таким образом, процесс заряда емкости С„ будет продол­жаться до тех пор, пока напряжение на стоке не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свой­ства. При этом входная емкость станет равной Суя и скорость ее заряда резко увеличится. В результате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение £/o.

Следует отметить, что в результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на вре­мя /з«я.вкя> а его фронт растягивается на время /,„. Аналогичный процесс происхо­дит при выключении транзистора: имеется время задержки выключения <з№вы«> время выключения /„ж, в течение которого спадает импульс тока стока, и время lye, установления исходного состояния.

Лекция 6. Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках пи­тания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерыв­но совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше бкВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управ­ления силовыми ключами.

Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статичес­кой индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затво­ром (БТИЗ). новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления. Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триод-ные (тиристоры). Для коммутации це­пей переменного тока разработаны спе­циальные симметричные тиристоры — симисторы.

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три ^-«-перехода. Край­няя область Р называется анодом, а другая крайняя область N — като­дом. структура динистора приведена на рис. 6.1 а. Три ^-и-перехода динисто­ра обозначены как j), 7э и Уз.

Схему замещения динистора мож­но представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а кол­лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J и /э будут смещены в прямом направлении, а переход Ji — в обрат­ном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу Ji. При­мем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов П и 72 имеют значения oti и о; соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 6.2 б, найдем ток через переход Ji, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки /ко этого перехода:

Ij2
=
a
1

I
j

1

+
a
2

I
a

2

+
Iko

(6.1)

Ток во внешней цепи равен I,^=Iл=J
ln=
I, поэтому после подстановки / в (4.1) найдем

I(1- a1
— a2
) = Iko
, откуда получим

I
=
Iko

/
I
-(
a
1

+
a
2

)
6.2

Пока выполняется условие (cti+ct2)ток в динисторе будет равен /ко- Если же сделать (oti+ota)^!, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким образом, получено условие включения динистора.

Для увеличения коэффициентов передачи тока Cti или Од имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом на­пряжения t/=£/,„, один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.

Коллекторные ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба тран­зистора не перейдут.в режим насыщения.

после включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет ограничи­ваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения 7 выкл или поменяв полярность напряжения на аноде.

Тиристор. второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзи­сторов Г] или Г;. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управле­нием. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения ре­гулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управле­ния снижается напряжение включения. Таким образом, ти-ристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

после включения управляю­щий электрод теряет управляю­щие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис-тора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включе­нию при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило назва­ние «эффекта dU/dt». Оно связано с зарядом емкости перехода Сд при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора): ici=CidU/dt. Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

Условное обозначение динисторов и тиристоров содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора: (динистор — буква Н, тиристор — буква У), классе по мощности (1 — ток анода <0,ЗА, 2 — ток анода >0,ЗА) и порядковом номере разработки. например, динистор КН102— кремниевый, малой мощности; тиристор КУ202 — кремниевый, боль­шой мощности.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

• допустимое обратное напряжение t/ogp;

• напряжение в открытом состоянии (/„р при заданном прямом токе;

• допустимый прямой ток /пр;

• времена включения <„ц, и выключения /выкл-При включении тиристора током управления после подачи импульса тока /у, ,в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 6.7. процесс нараста­ния тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки <вд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /у,- При достаточно большом токе управления, время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1…2мкс).

затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного на­растания. Это время существенно зависит от начального прямого на­пряжения 1/„р„ на тиристоре и пря­мого тока /„р через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда /у„ дли­тельность <„у, скорость нарастания dly/dt отвечали определенным тре-Рис. 6.7. Переходные процессы при включении бованиям, которые обеспечивают тиристора включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, что­бы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержа­ния 7, уд.

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения С/овр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления об­ратного сопротивления (оба и время выключения 1.^. После окончания времени восстановления <ов. ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. только спустя время t™, к тирис-тору можно повторно прикладывать прямое напряжение С/про-

потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управ­ления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для комму­тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив­ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включает­ся в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительно­го импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время вклю­чения — не более Юмкс.

Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фотоэлектрон­ным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным свето-диодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В ка­честве примера рассмотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК.

Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Такие приборы находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальвани­ческую развязку цепей управления. малое потребление цепи управления позволя­ет включать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ.

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

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имею­щих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, кото­рый не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6.12 а. На этой схеме VT — полевой транзистор с изолированным затвором, П — паразитный биполярный транзистор, и, — по­следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R^ — сопротивле­ние, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора П. Благодаря сопротивлению Ri биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характе­ристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12 б, характеризуются крутизной S и со­противлением канала Ri.

структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-и-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12 в) появля­ется еще один />-п-р-транзистор 72.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов 71 и 72 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзисто­ра 72 влияет на ток базы транзистора Т, а ток коллектора транзистора 71 определяет ток базы транзистора 72. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и 72 имеют значения cii и о; соответственно, найдем /к2=/э2″2> •^1=^э1″2 и I,=I^+I^+Ic. Из последнего уравнения можно опре­делить ток стока полевого транзистора

I
c

=
I
j

(
I
—
a
1

—
a
2

)
(6.3)

поскольку ток стока /с ПТИЗ можно определить через крутизну 5 и напряже­ние U, на затворе Ic=SU, определим ток IGBT транзистора

I
k

=
I
j

=
SU
j

/

I
-(
a
1

—
a
2

) =
S
j

U
j

(6.4)

где 5э=57[1-(сс1+а2)] — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изо­лированным затвором.

очевидно, что при ai+oc^l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения Oi и с^ можно изменением сопротивлений R^ и riпри изготовлении транзистора. На рис. 6.12 г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 полу­чено значение крутизны 15 А/В.

Рис б 12 Схема замещения ПТИЗ с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные характеристики (б), схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики (г)

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряже­ния на замкнутом ключе. последнее объясняется тем, что последовательное со­противление канала J?z шунтируется двумя насыщенными транзисторами 71 и 72, включенными последовательно.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисто­ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследова­ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5… 1,0мкс.

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляющим /»-п-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора 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 /»-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 <7ц, отрицательной полярности, приклады­ваемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления ка­нала Rca в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

Таблица 6.1 Сравнительные характеристики СИТ и БСИТ транзисторов

Тип транзистора
Устройство
Напряжение, В
ток стока, А
Напряжение отсечки, В
Время рассасывания, икс

КП926
СИТ
400
16
-15
<5 КП955 БСИТ 450 25 0 <1,5 КП810 .БСИТ 1300 7 0 <3

СИТ транзистор, 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 не при задержке не более 50нс. 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 и может лежать в пределах от 20нс до 5мкс.

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

Поскольку СИТ и БСИТ транзисторы относятся к разряду полевых транзис­торов с управляющим /»-и-переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. таким образом, определить СИТ транзисторы можно толь­ко по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника.

Несмотря на высокие характеристики СИТ и БСИТ транзисторов, они уступа­ют ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. Типовые вольт-амперные характеристики СИТ транзистора приведены на рис. 6.14. К достоинствам СИТ транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1… 0,025 Ом.

Лекция 7. Предельные режимы работы транзисторов

Параметры предельных режимов. Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и тока­ми, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой кор­пуса прибора. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения основных параметров транзисторов, могут быть: слишком высокое обратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при увеличении тока через переходы.

В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются предельные эксплуатационные параметры:

• максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер и^умшс

или СТОК-ИСТОК Цж.махс;

• максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер

^.«..макс или СТОК-ИСТОК £/ch.».n.kc;

• постоянный или импульсный токи коллектора /„.„акс и /.(.инке и такие же значения тока стока полевых транзисторов;

• постоянный или импульсный токи базы /б.макс И /б.и.макс;

• постоянное или импульсное напряжение на затворе Уз.«акс и (/з.и.макс;

• постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора Л.макс или Дс.и.нако или аналогичные мощности, рассеиваемые стоками /’с.макс и ^с.я.мако

• предельная температура перехода Т,,^ или корпуса прибора Г».,^. Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одно­го из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достижением максимальной температуры перехода.