Вход

Биполярные транзисторы

Реферат по физике
Дата добавления: 25 августа 2009
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 1.6 Мб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Биполярные транзисторы Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполя р ным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p - n перехода. Технология изготовления биполярных транз и сторов может быть различной – сплавление, диффузия и т.д. это в значител ь ной мере определяет характеристики прибора. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n - p - n транзисторы и p - n - p транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область называется коллектором другая эмиттером в неси м метричных структурах . Э лектрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зав и сит от частот ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зав и симос ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, о т сечки и инверсный. В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря мом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба пере хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в о б ратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле нии, а эмиттерный — в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а авари й ным — это режим пробоя. Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо сти от приложенных к его переходам напряжений. В линейном реж и ме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему н а пряжению Е,= t/бэ, через него протекает ток базы 1ц. Протекание тока базы приводит к ин-жекции з а рядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определ я ется как i ^= Bi „ где В — коэффициент передачи тока базы. Прямое на пряжение С/бэ на эмиттерном переходе связано с током ко л лектора уравнением Эберса — Молла i к = I k б.о ( e U бз/ т -1), (4.1) где I кб.о — обратный ток коллекторного перехода при его обратном см е щении, ( т - — тепловой потенциал. Из уравнения (4.1) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и выполнении условия 1/бэ><рг, ток коллектора растет с ростом напряжения 1/вэ по экспоненциальному закону: i к = I k б.о e U бз/ т , (4.2) где e U бз/ т — контактная разность потенциалов. При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторно го перехода Л.обр^кв.о. Из уравнения (4.1) легко найти напряжение на эми т терном переходе U бэ = т ln ( I k / I кб.о +1), (4.3) Поскольку ф т =25мВ при Г=ЗООК, то уже при напряжении [/аэ^ЮОмВ можно считать, что (/в^ = 0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыто ч ный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. В ы полнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщ е ния. Глубину насыщения транзистора характе ризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отнош е ние тока базы I & нас транзистора в насыщенном режиме к току базы / g ^ в граничном р е жиме q = I б пос / I б гр (4-8) При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе ство неосновных носителей, которые задерживают выключение тра н зистора. Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмитт е ром до статочно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым клю чом, на котором падает небольшое напряжение. Схема зам е щения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соотве т ствии с этой схемой замеще ния напряжение на насыщенном ключе определ я ется по формуле U k . пос = I k R пос + E n , (4.9) где R пос . сопротивление насыщенного ключа, E n =0,5... 0,1 В. В спр а вочных данных на транзисторы обычно приводится значение С/„энас при заданном токе колле к тора. Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим о т сеч ки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является в ы полнение условия и^О. В соответ ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ry и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки /ут^./кбо- На вольт-амперных характеристиках транз и сто ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли ния при i '8=0. В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит ся обратный ток коллектор — эмиттер /„л при заданном напряж е нии на коллек торе и при заданном сопротивлении R , включенном между б а зой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — р е жимы насыщения и от сечки — позволяют использовать транзистор как зам к нутый или разомкнутый ключ S . Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в сил о вых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поп е ремен но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения т а кого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации. Последним режимом работы транзистора является инверсный режим, при котором коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. По сути дела, в этом режиме коллектор и эмиттер мен я ются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметри ч ный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (вщп,<Дл,,в)- Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунапра в лен ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усил е ние практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометр и ческие размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или колле к тор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны х а рак теристикам в линейном режиме. Динамические характеристике биполярного транзистора. Динамич е ские харак теристики транзистора по-разному описывают его поведение в л и нейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным явл я ется время пере ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для ус и ли тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот. Ток коллектора достигает установивше гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется нек о торое время задер жки /зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. З а тем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t » sp достига ет» установившегося значения 7 кл . i вкл = i зад + i пор , (4.10) где i вкл , — время включения транзистора. При выключении транзистора на сто базу подастся обратное напр я жение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится ра в ным /блык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания г„с. После оконча ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени tea - Таким образом, время выключения транзистора равно i вык = i рас + i сп . ( 4.11 ) Следует особо отметить, что при выключении транзист о ра, несмотря на из менение направления тока базы, транзистор в течение времени tyc ост а ется вклю ченным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно. Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора п е ред его выключением. Минимальное время выключения получается при грани ч ном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропуск а ют об ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикла дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может пр о изойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не прев ы шает 5...7В. Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запир а ние транзи стора называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания зна чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается. Ф орма импульса тока колле к тора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время pie . В справочных данных обычно приводят времена вклю чения, спада и рассасывания. Для наибо лее быстрых транзисторов время рассасы вания имеет значение 0,1 ...0,5мкс, однако для многих силовых транз и сторов оно до стигает Юмкс. Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято х а рактери зовать не временем включения или вы ключения, а его частотными характерис тиками. Имеется много различных моде лей транзисторов, раб о тающих на высоких частотах, однако наиболее распростра ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок симации з а висимости коэффициента пере дачи тока базы (или эмиттера) на высокой ча с тоте. Рассмотрим вначале схему замещения транзистора, предложенную Джиако-лстто. Эти схема приведена на рис. 4.8 а и представляет собой П-образную схему, в которой усилительные свойства транзистора учтены крутизной S его вольт-амперной хара к теристики (т. е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется уч е том емкостей между базой и коллектором — С„ и базой и эмиттером — С,. Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достато ч ной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство тра н зисторов на высоких частотах. Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или ра с счи тать. На схеме замещения (рис. 4.8 а) точки Б, К я Э являются реальными вывода ми базы, коллектора и эмиттера транзистора. Точка Б' находится внутри тра н зи стора и, следовательно, доступа к ней нет. Сопротивление rg , разделяющее точки Б и Б', называют распределенным сопротивлением базы. Активная проводимость g , и емкость С, совместно отражают полную пров о димость эмиттерного перехода. Отношение этих величин называется пост о янной времени эмиттерного перехода т,=Сэ/^э и от режима работы транз и стора практически не зависит. Влияние коллекторного перехода учтено его полной проводимостью, с о стоя щей из g ^ и С„. Отношение этих параметров называется постоянной времени кол лекторного перехода • ^к = C,^/?к и также почти не зависит от р е жима работы тран зистора. Проводимость gt обычно очень мала, а емкость С» несколько уменьш а ет ся с увеличением напряжения на коллекторе. Наличие связи между эмиттером и коллектором учтено в схеме замещения активной проводимостью ^эк- Д™ высокоча с тотных транзисторов эта проводи мость настолько мала, что ее можно не учитывать. Источник тока Suy .,, включен ный между коллектором и эмиттером, аналогичен источнику тока Н^е, приведен ному в схеме замещения рис. 4.4, однако в отличие от п о следнего он управляется не током базы if ,, а напряжением щ-у Эта схема объясняет причины, приводящие к уменьшению усиления транзис тора с повышением частоты. Во-первых, с ростом частоты уменьшается по л ная проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока »е и увели чению падения напряжения на f «. Рис. 4.8. Схема замещения транзистора на высокой частоте (а) и ча с тотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б) Таким образом, управляющее напряжение Me ., для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзист о ра. Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием колле к торной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты. В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнител ь ному снижению на пряжения «в-э. Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транз и с тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т. е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется часто т но-зависимый коэффициент ( )= h 21з ( )= 0 / 1+ j ( / ) (4.12) где: ^о^В — коэффициент передачи тока базы на низкой част о те, t 0 p — предель ная частота коэффициента передачи тока б а зы. Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы опред е ля ется по формуле (4.13) На частоте ю=й)р модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с ро в л/2= 1,41 раза. Если < B >3(0( i , то частотная зависимость коэффициента переда чи тока базы прин и мает вид (4.14) где <» r = pot 0 p граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы. Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы прив е дена на рис. 4.8 б. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом част о ты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, о п ределяемый формулой (4.15) Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоник. Лекция 5. Униполярные транзисторы Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Унип о лярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением провод и мости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикуля р ного направлению тока. Оба на звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зар я дов, и управле ние током канала осуществляется при помощи электрического п о ля. Электроды, подключенные к каналу, называются стоком ( Drain ) и истоком ( Source ), а управляющий электрод называется затвором ( Gate ). Напр я жение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между з а твором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные тра н зисторы делят ся на две группы: с управляющим р-л-переходом и с изолированным затв о ром. В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора из о ли рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiOi . Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затв о ра и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежи мо мал даже при повышенных температурах. Полупр о водниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале элек трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал н а зывается индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле з а твора 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 дыроч ной проводимостью называются ^-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с кан а лом п- или р-ттов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Графическое обозначение транзисторов содержит макс и мальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный. Исток и сток дейс т вуют как невыпрямляющие контак ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление кот о рой указывает тип проводимости ка нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод з а твора 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 принадле ж ность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную раб о чую частоту. Далее идет двухзначный номер раз работки транзистора. Пятая буква соотвествует ра з браковке по параметрам. На пример, транзистор КП302А — кремниевый, п о левой, малой мощности, высоко частотный. Устройство полевого транзистора с управляющим р-н-треходам пр и ведено на рис. 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро вать ток в канале. На рис. 5.1 б приведен полевой транз и стор с каналом /»-типа и затвором, выполненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к сниж е нию проводи мости канала, поэтому полевые транзис торы с управляющим ^-п-переходом рабо тают только на обеднение канала нос и те лями зарядов. Поскольку ПТУП могут раб о тать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображениисплошной линией, которая имеет контакты с электр о дами стока и истока. На правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости к а нала. Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имею щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидн о стями. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность упра в ляющего напряжения, на правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпуск а ют ся только ПТИЗ со встроенным каналом ^-типа. Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характ е ристики полевых транзисторов с каналом n -типа расположены в верхней п о ловине графи ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует полож и тельно му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом ^-типа расположены в нижней половине графика и, сл е довательно, имеют отрица тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характер и стики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /„„«ч- При увеличении запира ю щего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к н у лю. Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких тра н зисторах про исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1/пор. Ув е личе ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока. Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряж е нии на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы м о гут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряж е ния на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напр я жения на затворе канал обедняется и ток стока снижается. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения. В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от н а пряже ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто ка от напряж е ния на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровак у умных пен тодов. Особенности этих характеристик обуславливают примен е ние полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор испол ь зуется как сопро тивление, управля е мое напряжением на затворе, а в области насыщения — как усилительный эл е мент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях. Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора о п ре деляется уравнением I c = 2 k ( U n - U зн ) U сн – U сн /2 . (5.1) где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транз и стора, U „ — - пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мди — напряжение между затво ром и истоком, йен — напряжение между стоком и и с током. На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражен и ем, пола гая В (5.1) Уа.^0: i c 2k(U n - U зн )U сн (5.2) Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в л и нейной об ласти R c = U сн / i c = 1/ 2k(U n - U зн ) (5.3) Из выражения (5.3) следует, что при Иэм=0 сопротивление канала б у дет мини мальным Rmm = \ f (2 kUn ). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна чению Мзн— t/in то сопротивление канала возрастает до бесконечности: Re -* 00 . График зависимости сопротивления канала от упра в ляющего напряжения на зат воре приведен на рис. 5.6 а. При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопр о тив ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную провод и мость канала, пользуясь формулой (5.1): ^ с= И» = lk ( u »~ ^п-Усн), откуда получаем значение дифференциального сопроти в ления канала r c .диф =1/ 2 k ( U зн - U n - U сн ) 5.4 Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке t/сн нар у шает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение пол е вых транзисторов в линейной области определяется их способностью изм е нять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивл е ние для мощных полевых тран зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5... 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкн у того ключа с весьма малым соб ственным сопротивлением канала. С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пор о говом) значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводи мостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропу с кать доста точно большой ток (до 10 А и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управля ю щим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора опр е деляется уравнением I с = k ( U n - U зн ) 2 , (5.5) из которого следует его полная независимость от напряжения на ст о ке. Практи чески такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (5.5) можно найти начальный ток стока при усл о вии, что Мзи=0: i c пог = kU 2 n (5.6) Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента k , введенн о го в фор муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив начальный ток ст о ка г'снач и пороговое напряжение (/„ (или напряжение отсечки t/отс) , так как , _ is нач fc T \ k= i c пог / U 2 n (5.7) Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основ ном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем зн а чение крутизны вольт-амперной характеристики: S= d ic / d изн = 2k(U n - U зн ) (5.8) Из уравнения (5.8) следует, что максимальное значение крутизна им е ет 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 = S max (1- U зн / U n ) (5.9) Схему замещения полевого транзистора для области насыщения мо ж но пред ставить в виде источника тока стока, управляемого напряжением на затворе t/зи. При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (5.5), а для ма лого сигнала, используя (5.8), получим i c = S 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 разомкн у тая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе мой замещения, легко найти усиление пр о стейшего усилительного каскада на по левом транзисторе, изображенного на рис. 5.7 б. Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада, при веденную на рис. 5.7 в, для к о торой можно найти напряжение на нагрузке: U n = - i c R n = - U зи SR n U зн = U c Откуда K y = U n / U c = SR n Рис 5.7. Простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (6), эквивалентная схема (в) и схема з а мещения в ^-параметрах (г) Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транз и с тора усложняют введением других параметров, которые учитывают неидеаль ность транзистора. Уточненная схема замещения долевого транз и стора для малых сигналов приведена на рис. 5.7 г. Этой схеме замещения с о ответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в ^-параметрах (пар а метрах прово димости): I з = y 11 U з + y 12 U 0 I c = y 21 U з + y 22 U c 5.11 Физический смысл параметров, используемых в уравнениях (5.11), можно ус тановить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выхо де схемы замещения. При коротком замыкании на выходе ( Uc =0) находим два параметра, y 11 = i 3 / U 3 и y 22 = i c / U 3 . (5.12) Аналогично при коротком замыкании на входе ( uj = o ) находим два других пар а метра y 12 = i 3 / U 3 и y 22 = i c / U c (5.13) Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что ^ц является проводимостью уте ч ки затвора полевого транзистора, а у^ — его выходной проводимостью, у^ называ ется проводимостью обратной передачи и учитывает влияние напряжения на сто ке на ток затвора, a y ^= S — это крутизна полевого транз и стора (или проводи мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведе н ной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изобр а женную на рис. 5.7 а, если поло жить Уп=Уп=у-а=0. Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно пр и водятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S , вместо входной проводимости иногда пр и водятся ток утеч ки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обра т ной передачи в боль шинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных п о левых транзисторов, работаю щих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и пр е дельное напряжение на стоке. Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические х а ракте ристики 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, ра с сматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависи мости токов и напряжений. В ключевом реж и ме более существенными являются времена включения и выключения тра н зистора, максимальная частота его комму тации и искажения фронтов и м пульсов. Если пре небречь небольшими объемными сопротивлениями конта к тов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще ния будут иметь значения y 11 = y вх = j ( l зс + l зх ), y 22 = y вых = g сн + j l зс , y 12 = - j 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 тра н зистора 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 н а пряжения на затворе 1/эи (см. формулу 5.9). Для транзисторов с^-п-переходом емкости затво ра С,и и Сщ являются барьерными и с увеличением обратного н а пряжения на затворе уменьшаются. Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при мере процессов включения и выключения полевого транзистора с инд у циро ванным 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 пер е ходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведе н ная на рис. 5.8 а. При подаче прямоугольного импульса от источника t /„ вначале проис ходит заряд емкости Сщ через сопротивление источника сигнала 7 t „- До тех пор, пока напряжение на емкости Сзд не достигнет порогового напряжения t / nop , ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению исто ч ника пита ния Ее. Когда емкость Сэм зарядится до t / nop . транзистор некоторое время будет нахо диться в области насыщения, а его коэффициент усиления, как показано раньше, будет иметь значение Ky ^ SR ». В этом случае входная емкость транз и стора резко увеличится и будет равна С вх = C зи + (1+ k y ) C зс (5.15) Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается о б ратно пропорционально увеличению емкости С„. По мере увеличения на пряжения на С„ будет постепенно нарастать ток стока и уменьшаться напря жение на стоке. Таким образом, процесс заряда емкости С„ будет продол жаться до тех пор, пока напряжение на стоке не уменьшится до значения, при котором транз и стор окажется в линейной области и потеряет усилительные свой ства. При этом входная емкость станет равной Суя и скорость ее заряда резко увеличится. В р е зультате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение Ј/ o . Следует отметить, что в результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на вре мя /з«я.вкя> а его фронт растягивается на время /,„. Анал о гичный процесс происхо дит при выключении транзистора: имеется время з а держки 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 приб о ры, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках пи тания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к сл е дующим: • малые потери при коммутации; • большая скорость переключения из одного состояния в другое; • малое потребление по цепи управления; • большой коммутируемый ток и высокое рабо чее напряжение. Сил о вая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерыв но совершенствую т ся. 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 управ ления силовыми кл ю чами. Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и в ы пускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним до с тижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статичес кой индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолир о ванным затво ром (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000В. В отл и чие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстр о действие и малое потребление по цепи управления. Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триод-ные (тиристоры). Для коммутации це пей переменного тока разработаны спе циальные симметри ч ные тиристоры — симисторы. Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три ^-«-перехода. Край няя область Р называется ан о дом, а другая крайняя область N — като дом. Структура динистора приведена на рис. 6.1 а. Три ^-и-перехода динисто ра обозначены как j ), 7э и Уз. Схему замещения динистора мож но представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. При таком с о единении коллекторный ток первого транзистора является током базы втор о го, а кол лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положител ь ная обратная связь. Если на анод подано положительное напряжение по отношению к к а тоду, то переходы J \ и /э будут смещены в прямом направлении, а переход Ji — в обрат ном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу Ji . При мем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзист о ров П и 72 имеют значения oti и о; соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведе н ной на рис. 6.2 б, найдем ток через переход Ji , равный сумме токов коллекторов обоих тра н зисторов и тока утечки /ко этого перехода: Ij 2 = 1 I 1 + 2 I 2 + I ko (6.1) Ток во внешней цепи равен I,^=Iл =J ln = I, поэтому после подстановки / в (4.1) на й дем I(1- 1 - 2 ) = I ko , откуда получим значение внешнего тока I = I ko / I -( 1 + 2 ) 6.2 Пока выполняется условие ( cti + ct 2)< l ток в динисторе будет равен /ко- Если же сделать ( oti + ota )^!, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким о б разом, получено условие включения динистора. Для увеличения коэффициентов передачи тока Cti или Од имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ро с том на пряжения t /=Ј/,„, один из транзисторов будет переходить в режим насыщ е ния. Коллекторные ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В р е зультате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба тран зистора не перейдут.в режим насыщения. После включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет о г раничи ваться 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 в ыкл 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 эквив а лентных транзи сторов Г] или Г;. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэ ф фициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение т и ристора. В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с ано д ным управле нием. Она отличается от характеристики динистора тем, что н а пряжение включения ре гулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управле ния сн и жается напряжение включения. Таким образом, ти-ристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением вкл ю чения. После включения управляю щий электрод теряет управляю щие сво й ства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выкл ю чения тирис-тора такие же, как и для динистора. Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включе нию при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление п о лучило назва ние «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 ск о рости его изменения. Условное обозначение динисторов и тиристоров содержит информ а цию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора: (д и нистор — 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, боль шой мощн о сти. 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 тир и стора 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 нараста ния тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки <вд, кот о рое 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 н а зывают временем лавинного на растания. Это время существенно зависит от начального прямого на пряжения 1/„р„ на тиристоре и пря мого тока /„р через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока упра в ления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры и м пульса тока управления: его амплитуда /у„ дли тельность <„у, скорость нарастания dly / dt отвечали определенным тре-Рис. 6.7. Пер е ходные процессы при включении бованиям, которые обеспечивают тирист о ра включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса т о ка управления должна быть такой, что бы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержа ния 7, уд. Если тиристор выключается приложением обратного напряжения С/овр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восст а новления об ратного 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 управ ления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассч и тываются 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 комму тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для созд а ния реверсив ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев пол у проводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конф и гурацию по сравнению с тиристором. Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включает ся в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительно го импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и сист е ма его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электр о дом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать п е ременный ток до 10 А при напряжении до 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время вклю чения — не более Юмкс. Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фот о электрон ным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным свето-диодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка ц е пи управления от силовой цепи. В ка честве 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 напряж е нии до 600 В. Такие приборы находят широкое применение в качестве кл ю чей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут и с пользоваться при управлении более мощными тиристорами или симистор а ми, обеспечивая при этом гальвани ческую развязку цепей управления. Малое потребление цепи управления позволя ет включать СИТАК к выходу микр о процессоров и микро-ЭВМ. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выпо л нены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изол и рованным за твором (ПТИЗ) и выходного биполярного п-р-и-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распр о стране ние получили приборы IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным кан а лом и допол нительного биполярного транзистора. При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имею щих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транз и стор, кото рый не находил практического применения. Схематическое изображение т а кого транзистора приведено на рис. 6.12 а. На этой схеме VT — полевой транзистор с изолированным затвором, П — паразитный биполя р ный транзистор, и, — по следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R ^ — сопротивле ние, шунтирующее переход база-эмиттер б и полярного транзистора П. Благодаря сопротивлению Ri биполярный транз и стор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные х а ракте ристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12 б, характеризуются крутизной S и со противлением канала Ri . Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но допо л нена еще одним р-и-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12 в) появля ется еще один />-п-р-транзистор 72. Образовавшаяся структура из двух транзисторов 71 и 72 имеет глуб о кую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзисто ра 72 влияет на ток базы транзистора Т\, а ток коллектора транз и стора 71 определяет ток базы транзистора 72. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и 72 имеют значения cii и о; соо т ветственно, найдем /к2=/э2"2> • ^1=^э1"2 и I ,= I ^+ I ^+ Ic . Из последнего ура в нения можно опре делить ток стока полевого транзистора I c = I ( I - 1 - 2 ) (6.3) Поскольку ток стока /с ПТИЗ можно определить через крутизну 5 и напр я же ние U , на затворе Ic = SU , определим ток IGBT транзистора I k = I = SU / I -( 1 - 2 ) = S U (6.4) где 5э=57[1-(сс1+а2)] — эквивалентная крутизна биполярного транз и стора с изо лированным затвором. Очевидно, что при ai + oc ^ l эквивалентная крутизна значительно пр е вышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения Oi и с^ можно изменением сопротивлений R ^ и ri при изготовлении транзистора. На рис. 6.12 г прив е дены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показыв а ют значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 полу чено 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 пад е ния напряже ния на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что посл е довательное со противление канала J ? z шунтируется двумя насыщенными транзисторами 71 и 72, включенными последовательно. Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутс т вует уча сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT п о ложены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на з а твор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5...6В. Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых тра н зисто ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследова ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и в ы ключения не превышают 0,5... 1,0мкс. Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляющим /»-п-переходом, который может работать как при о б ратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом см е щении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при з а пирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может до с тигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носи телей, которые появляются в канале при пр я мом смещении затвора. В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разн о видность 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 зап и рающего напряжения <7ц, отрицательной полярности, приклады ваемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ транзистора явл я ется возможность значительного снижения сопротивления ка нала Rca в пров о дящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении. Таблица 6.1 Сравнительные характеристики СИТ и БСИТ транзист о ров Тип транзист о ра Устройс т во Н а пряжение, В Ток стока, А Напряжение отсе ч ки, В Время рассас ы вания, 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 кот о рой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ по сравне нию с биполярными транзисторами является повышенное быстр о действие. Время включения практически не зависит от режима работы и с о ставляет 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 насыще н ное со стояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в би полярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосно в ных носителей заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключе ния и м о жет лежать в пределах от 20нс до 5мкс. Специфической особенностью СИТ транзистора, затрудняющей его прим е не ние в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Для его запирания необходимо п о дать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсе ч ки. Этого недостатка лишены БСИТ транзисторы, в которых на пряжение о т сечки технологически ми приемами сведено к нулю. Бла годаря этому БСИТ транзисторы при отсутствии напряжения на зат воре заперты, так же как и бипо лярные транзисторы, что и отра жено в названии транзистора — биполярные СИТ транз и сторы. Поскольку СИТ и БСИТ транзисторы относятся к разряду полевых транзис торов с управляющим /»-и-переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ транз и сторы можно толь ко по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника. Несмотря на высокие характеристики СИТ и БСИТ транзисторов, они у с тупа ют ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. Типовые вольт-амперные характеристики СИТ транзистора приведены на рис. 6.14. К достоинс т вам СИТ транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состо я нии, которое составляет 0,1... 0,025 Ом. Лекция 7. Предельные режимы работы транзисторов Параметры предельных режимов. Предельно допустимые режимы р а боты транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и тока ми, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температ у рой кор пуса прибора. Основными причинами, вызывающими выход транз и стора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изм е нения основных параметров транзисторов, могут быть: слишком высокое о б ратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при увелич е нии тока через переходы. В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются предельные эк с плуатационные параметры: • максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер и^умшс ИЛИ СТОК-ИСТОК Цж.махс; • максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер ^.«..макс ИЛИ СТОК-ИСТОК Ј/ ch .». n . kc ; • постоянный или импульсный токи коллектора /„.„акс и /.(.инке и такие же зн а чения 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 перечи с ленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одно го из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достижением максимальной те м пературы перехода.
© Рефератбанк, 2002 - 2018