Повна версія

Головна arrow Техніка arrow ЕЛЕКТРОННІ АПАРАТИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ТРАНЗИСТОРИ

Транзистором називають напівпровідниковий прилад, що містить два або більше /? - і-переходів і здатний працювати як в підсилюючих, так і в ключових режимах. У силових електронних апаратах транзистори використовуються в якості повністю керованих ключів. Основні види транзисторів: біполярні, польові і біполярні транзистори з ізольованим затвором.

Біполярні транзистори складаються з трьох шарів напівпровідникових матеріалів з різним типом провідності. Залежно від порядку чергування шарів структури розрізняють транзистори п-р-п- і р-п-р -типу (рис. 1.6). Серед силових транзисторів більшого поширення набули прилади п-р-п- типу. Середній шар структури називають базою (В), зовнішній шар, инжектируются (впроваджує) носії, називається емітером ( Е ), а збирає носії шар - колектором (С). Кожен з шарів має висновки для з'єднання з зовнішніми джерелами напруги.

Структури і символи біполярних транзисторів

Мал. 1.6. Структури і символи біполярних транзисторів:

а - транзистор я-р-а-типу; 6 - транзистор р-п-р -типу

Розглянемо більш докладно процеси, що виникають при підключенні джерел напруги до транзистора п-р-п- типу. Подача прямого напруги на емітерний р-я-перехід ВЕ > 0) і зворотної напруги на колекторний вс <0) відповідає нормальному включенню транзистора, яке зазвичай використовується в силовій електроніці. Потенційний бар'єр емітерного переходу зменшується, а колекторного - збільшується. В результаті відбувається інжекція електронів з емітера в базу і дірок з бази в емітер. Велика частина електронів досягає колекторного переходу і під впливом поля зворотного зсуву втягується в шар колектора. Таким чином, формуються струми емітера i E і колектора г з . Різницею цих струмів створюється струм бази i B :

де (3 - коефіцієнт посилення по току.

Токи емітера і колектора залежать від значення струму бази. Отже, біполярні транзистори можуть розглядатися як електронні ключі, які управляються струмом.

Біполярні транзистори зазвичай включаються за схемою з загальним емітером (рис. 1.7), на якій R tl - опір навантаження і R y - опір ланцюга управління з джерелом напруги і у . Вихідний ВАХ називають залежність струму колектора i c від напруги колектор-емітер і РЄ , а вхідний ВАХ - залежність струму бази i B від напруги база-емітер і ВЕ . Відповідно, передавальними (або прохідними) характеристиками є залежності i c = f (i B ) або і РЄ = f (i B ) з урахуванням конкретного значення опору навантаження R n . Статичні вихідні ВАХ при різних значеннях струму бази представлені на рис. 1.8. У цій же системі координат дано дзеркальне відображення лінійної характеристики навантаження, яка визначається опором R n . Перетин вихідний характеристики (для певного струму бази) з навантажувальної визначає режим роботи транзистора, тобто струм колектора і напруга і РЄ .

Підключення біполярного транзистора по схемі із загальним емітером

Мал. 1.7. Підключення біполярного транзистора по схемі із загальним емітером

Розрізняють три режими роботи транзистора: режим насичення (див. Рис. 1.8, область А), активний режим (область В) і режим відсічення (область С). У режимі відсічення (вимкненому стані) р-і-переходи транзистора зміщені в зворотних напрямках: і ВЕ < 0, і вс < 0 (для транзистора п-р-п- типу). У режимі насичення (включений стан) навпаки: і ВЕ > 0, і вс > 0. В цьому режимі справедливі співвідношення:

де I Bsat - граничне значення струму бази, при якому настає насичення; s - коефіцієнт насичення (х> 1); Е, / н - напруга джерела і струм навантаження, відповідно. Коефіцієнт посилення (3 сильно залежить від струму колектора і температури кристала транзистора.

Вихідні статичні ВАХ біполярного транзистора

Мал. 1.8. Вихідні статичні ВАХ біполярного транзистора

Таким чином, в силових схемах біполярний транзистор використовується як повністю керований електронний ключ. Якщо i B = 0, то він знаходиться в стані низької провідності (вимкнений), а при i B > I Bsat транзистор переходить в стан насичення (включене). Біполярні транзистори, номінальний струм яких перевищує 50 А, розраховані на напругу менше 1000 В і частоту комутації до 10 кГц.

Перехід транзистора з вимкненого стану у включене і навпаки відбувається не миттєво, а протягом певного часу. Перехідні процеси обумовлені інерційністю процесів зміни концентрації носіїв електричних зарядів в структурі транзистора і наявністю в ній внутрішніх (власних) ємностей. Відповідна схема заміщення біполярного транзистора наведена на рис. 1.9, а. При надходженні в базу транзистора імпульсу струму управління I m > I Bsat (момент часу t =? 0 на рис. 1.9, 6) починається процес заряду вхідний ємності С ВЕ до деякої напруги, при якому починається збільшення струму бази безпосередньо в структурі транзистора (момент часу t = t x ). Цей процес визначає час затримки на включення t d ^ on y В момент часу t = t 2 заряд в базі досягає граничного значення відповідного наступу режиму насичення, зростання i c і спад і РЄ практично припиняються. Час наростання струму колектора t ri визначає фронт включення транзистора. Накопичення в базі надлишкового заряду AQ триває до моменту часу t = t 3 . У момент часу t = t 4 в базу транзистора надходить негативний (що замикає) імпульс струму -1 В2 , почнеться розсмоктування надлишкового заряду, що обумовлює затримку на вимикання t d ^. У момент часу t = t 5 транзистор починає виходити з насичення. Час спаду i c (tj } ) визначає фронт виключення (момент часу t =? 6 ). Через наявність вихідний ємності відновлення

і РЄ закінчується пізніше. Істотний вплив на швидкодію надають коефіцієнт насичення і струми управління, що надходять до бази.

Динамічні процеси в біполярному транзисторі

Мал. 1.9. Динамічні процеси в біполярному транзисторі:

а - схема заміщення; б - діаграми струмів, заряду і напруги

Польові транзистори. Серед транзисторів цього типу найбільшого поширення набули прилади, що мають структуру метал - оксид - напівпровідник (МОП-транзистори) (від англ. MOSFET - metal oxide semiconductor field effect transistor). Їх принцип дії заснований на зміні електричної провідності на кордоні діелектрика (оксиду) і напівпровідника під впливом електричного поля. На рис. 1.10 показана структура МОП-транзистора, що складається з шарів металу, діелектрика і напівпровідника з провідністю р-тину. Якщо до цієї структури підключити джерело напруги Е позитивним висновком до металу, то дірки напівпровідника будуть переміщатися в напрямку негативного потенціалу зовнішнього джерела, збіднюючи основними носіями шар напівпровідника, що межує з діелектриком. При певній напрузі утворюється тонкий шар з провідністю / 7-типу, в якому електрони переважають над дірками. Електрична провідність (а отже, опір) цього індукованого / 7-каналу залежить від напруги джерела (електричного поля).

Принцип освіти провідного каналу в структурі МОП-транзистора

Мал. 1.10. Принцип освіти провідного каналу в структурі МОП-транзистора

Розрізняють два типу МОП-транзисторів: з індукованим каналом і з вбудованим каналом. Обидва типи мають висновки зі структури транзисторів: сток (D), джерело ( S ), затвор ( G ), а також висновок від підкладки (fi), що з'єднується зазвичай з витоком. Залежно від типу електричної провідності каналу розрізняють також транзистори з п- і // - типами каналів. На рис. 1.11 зображені структури і символи МОП-транзисторів з каналами / 7-типу. Для зниження опору областей, з'єднаних з висновками транзистора, їх виконують з підвищеним вмістом носіїв. Такі шари позначають додатковим верхнім індексом, наприклад п + . У транзисторах з індукованим каналом останній утворюється тільки при подачі напруги відповідної полярності на затвор щодо збіднених висновків витоку і підкладки. В результаті вони працюють в режимі збагачення, що дозволяє управляти струмом стоку. У транзисторах з вбудованим каналом струм в ланцюзі стік - витік протікає і при відсутності напруги на затворі. Для управління струмом на затвор може подаватися напруга як більше нуля для збагачення каналу, так і менше нуля для його збіднення носіями зарядів.

Характерним для структур МОП-транзисторів є наявність внутрішнього діода, зустрічно підключеного до транзистора, який може проводити зворотний струм. Для посилення ефекту зворотної провідності до транзистора може бути підключений зовнішній швидкодіючий зворотний діод. Принциповою відмінністю МОП-транзисторів від біполярних є те, що вони управляються напругою (нулем, створюваним цим напругою), а не струмом. Основні процеси в польових транзисторах обумовлені одним типом носіїв, що підвищує їх швидкодію. Тому їх називають також уніполярними транзисторами.

Структури і символи МОП-транзисторів з проводять каналом і-типу

Мал. 1.11. Структури і символи МОП-транзисторів з проводять каналом і-типу:

а - з індукованим каналом; 6 - з вбудованим каналом

Статичні вихідні ВАХ МОГТ-транзистора з індукованим каналом наведені на рис. 1.12. Управління транзистором з індукованим каналом здійснюється подачею позитивного напруги u GS > U th - порогове значення, при якому починає утворюватися електропровідний канал. У міру збільшення u GS відбуваються збагачення каналу носіями і зростання струму i D . Круті ділянки ВАХ відповідають різкого збільшення струму стоку i D при збільшенні напруги затвор-витік u GS . Далі зростання струму i D сповільнюється через збіднення каналу під впливом напруги стік-витік u DS . На ділянці зростання струму ВАХ може бути апроксимована лінійною залежністю, що відповідає постійному опору Rps (on) = A Uds / Id- Точки перетину ВАХ і навантажувальної характеристики визначають режим роботи транзистора, тобто значення i D і u DS . Область ВАХ, обмежена напругою u sat = u GS - U th |, відповідає повністю відкритого стану МОП-транзистора. Закрите стан (режим відсічення) настає при u GS <U th , ток i D зменшується до малого залишкового значення.

Польові транзистори є приладами з малої комутованою потужністю (до 100 кВт). Зазвичай МОП-транзистори розраховані на напругу не вище 600 В і струми до 50 А. При підвищенні робочої напруги зростає опір транзистора в провідному стані (Rps (on) ^ 1 Ом), що призводить до значного падіння напруги стік-витік відкритого транзистора. Випускаються також транзистори на напругу до 100 В і струми до 100 А, мають опір Rps (on) - 10 МОм. МОП-транзистори мають високу швидкодію і здатні працювати на частотах 100 кГц і вище. Польові транзистори широко застосовуються в схемах вторинних джерел живлення, статичних реле і багатьох інших електронних пристроях.

Вихідні статичні ВАХ МОП-траізістора

Мал. 1.12. Вихідні статичні ВАХ МОП-траізістора

У МОП-транзисторах відсутні явища накопичення і розсмоктування носіїв. Однак через конструктивних особливостей значення власних міжелектродних ємностей в цих транзисторах більше, ніж у біполярних. Головним фактором, що визначає час включення транзистора, є швидкість заряду вхідних ємностей затвор-витік і затвор-стік. Для збільшення швидкості заряду ємності затвора (підвищення швидкодії) часто на початковому етапі використовують форсований включення від джерела струму. На тривалість процесу виключення істотно впливають вихідна ємність втік-витік транзистора і опір навантаження.

Біполярні транзистори з ізольованим затвором. Загальноприйнятою російськомовної абревіатури для цього типу приладів немає, можна використовувати найменування МОП-БТ (біполярний транзистор з польовим керуванням) [1]. Однак найбільш часто вживають IGBT (від англ, insulated gate bipolar transistor). Ці транзистори поєднують позитивні властивості біполярного і польового: мають малі втрати у включеному стані, подібно біполярному транзистору, і високий вхідний опір ланцюга управління, характерне для МОП-транзисторів. Структура IGBT багато в чому подібна до структури польового транзистора (рис. 1.13, а). Принципова різниця полягає в наявності нижнього шару з провідністю р + -Тінь, який надає йому властивості біполярного транзистора. На рис. 1.13, б показана відповідна еквівалентна схема, вихідна ланцюг на якій представлена біполярним транзистором р-п-р- типу, а додатковому /? - я-переходу відповідає транзистор п-р-п- типу. При відсутності напруги затвор-емітер РЄ = 0) транзистор закритий. Включення транзистора з каналом я-типу здійснюється подачею позитивного напруги затвор-емітер. Вихідні ВАХ IGBT подібні характеристикам біполярних транзисторів, тільки управління вихідним струмом i c здійснюється не струмом бази, а напругою і РЄ (рис. 1.14). У закритому стані IGBT здатні витримувати без пробою значне зворотне напруга [3].

Біполярний транзистор з ізольованим затвором

Мал. 1.13. Біполярний транзистор з ізольованим затвором:

а - структура; б - еквівалентна схема; в - символьне позначення

Статичні вольт-амперні характеристики IGBT

Мал. 1.14. Статичні вольт-амперні характеристики IGBT

Біполярні транзистори з ізольованим затвором належать до ключів із середньою комутованою потужністю (від 100 кВт до 10 МВт). В даний час широко застосовуються IGBT з номінальною напругою 1200 В і струмом до 100 А. Робоча частота таких приладів досягає 50 кГц. Створені і використовуються також і високовольтні / С / ГГ-модулі на напругу до 4,5 кВ і комутованих струмом до 2 кА. IGBT є основним приладом, використовуваним в перетворювачах частоти для електропривода, а також в інверторах для систем безперебійного електропостачання.

Швидкодія IGBT визначається значною мірою тим, що вони поєднують властивості біполярних і польових транзисторів. На початку включення перехідні процеси схожі з процесами в МОП-транзисторах, а на кінцевому етапі включення затягування спаду напруги колектор-емітер відповідає характеристикам біполярного транзистора. При виключенні IGBT характер процесу спочатку аналогічний виключення польового транзистора, а на кінцевому інтервалі - процесу в біполярному транзисторі через накопичення надлишкових зарядів в одній з областей структури.

 
<<   ЗМІСТ   >>