Биполярные транзисторы

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.