Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной - сплавление, диффузия и т.д. это в значительной 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 несимметричных структурах.

Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот-ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос-ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа-ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки 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 обратном. 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 аварийным -- это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо-сти от приложенных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению Е,= t/бэ, через него протекает ток базы 1ц. Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^=Bi„ где В -- коэффициент передачи тока базы. Прямое на-пряжение С/бэ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса -- Молла

i_к=I_kб.о(e^Uбз/т-1), (4.1)

где Iкб.о -- обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, (_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_kб.оe^Uбз/т, (4.2)

где e^Uбз/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 эмиттерном переходе

U_бэ=_тln(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^⁼<Pтln(^к/^кб.o) Выходные вольт-амперные характеристики транзи-стора приведены на рис. 4.2 о. Линейная область на этих характеристиках отмече-на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об-ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек-торе. В-треть-их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп-равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре-зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи-стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас-када, изображенного на рис. 4.3 б. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой формулы находим i_k= U_c/R_б; i_k=B_iб U_k= i_kR_n= Bi_бR_n откуда

U_cBR» U_n= U_cBR_n/ R_б или K_n= R_n/ R_б

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле-нии схемы. Схеме замещения соответствуют уравне-ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

U_б= H₁₁i_б + H₁₂U_k

I_k= H₂₁i_б + H₂₂U_k .

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож-но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе.

При холостом ходе на входе г'б=0, откуда находим два параметра

H₁₂= U_б/ U_k и H₂₂= i_k/ U_k (4.5)

Аналогично при коротком замы-кании на выходе (и^=0) находим два других параметра

H₁₁= U_б/ i_б и H₂₁= i_k/ i_б (4.6)

Параметры холостого хода в соответствии с (4.5) обозначаются как: Я^ -- обратная передача по направлению и Нц -- выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (4.6) и имеют значения: Яц -- входное сопротивление, Н^ -- прямая передача по току.

Так, при Яц=Я)2=Ям=0

Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Я-параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится пара-метр Нц=В -- коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводят-ся, иногда можно рассчитать по уравнениям (4.5) и (4.6).

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличи-вать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет' отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме рис. 4.3 б, когда в коллекторной цепи включе-но сопротивление нагрузки R^. В этом случае увеличение тока базы ^ приведет к увеличению тока коллектора г„- В результате увеличится падение напряжения на нагрузке R» и уменьшится напряжение на коллекторе м„э. Условием насыщения транзистра является равенство нулю напряжения

U_кб=U_к-U_б=0. (4.7)

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие и^>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характе-ризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы I& нас транзистора в насыщенном режиме к току базы /g^ в граничном режиме

q= I_{б пос}/ I_{б гр} (4-8)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе-ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером до-статочно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым клю-чом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соответствии с этой схемой замеще-ния напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

U_{k. пос}= I_kR_пос+ E_n, (4.9)

где R_пос. сопротивление насыщенного ключа, E_n=0,5... 0,1 В. В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение С/„энас при заданном токе коллектора.

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсеч-ки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение 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 транзисто-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 напряжении на коллек-торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора -- режимы насыщения и от-сечки -- позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон-ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен-но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого 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 меняются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (вщп,<Дл,,в)-

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправлен-ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто-рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны харак-теристикам в линейном режиме.

Динамические характеристике биполярного транзистора. Динамические харак-теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере-ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили-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 некоторое время задер-жки /зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t»sp достигает» установившегося значения 7кл.

i_вкл=i_зад+ i_пор, (4.10)

где i_вкл, -- время включения транзистора.

При выключении транзистора на сто базу подастся обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным /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 транзистора, несмотря на из-менение направления тока базы, транзистор в течение времени tyc остается 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 перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают об-ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикла-дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5...7В.

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзи-стора называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания зна-чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается.

Форма импульса тока коллектора 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 транзисторов оно до-стигает Юмкс.

Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято характери-зовать не временем включения или вы-ключения, а его частотными характерис-тиками. Имеется много различных моде-лей транзисторов, работающих на высоких частотах, однако наиболее распростра-ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок-симации зависимости коэффициента пере-дачи тока базы (или эмиттера) на высокой частоте. 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 характеристики (т. е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется учетом емкостей между базой и коллектором -- С„ и базой и эмиттером -- С,. Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство транзисторов на высоких частотах. Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или рассчи-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 транзи-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 проводимость эмиттерного перехода. Отношение этих величин называется постоянной времени эмиттерного перехода т,=Сэ/^э и от режима работы транзистора практически не зависит.

Влияние коллекторного перехода учтено его полной проводимостью, состоя-щей из g^ и С„. Отношение этих параметров называется постоянной времени кол-лекторного перехода *^к⁼C,^/?к и также почти не зависит от режима работы тран-зистора. Проводимость gt обычно очень мала, а емкость С» несколько уменьшает-ся с увеличением напряжения на коллекторе.

Наличие связи между эмиттером и коллектором учтено в схеме замещения активной проводимостью ^эк- Д™ высокочастотных 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 последнего 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 полная 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 частотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б)

Таким образом, управляющее напряжение Me., для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзистора.

Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием коллекторной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты. В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнительному снижению на-пряжения «в-э.

Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транзис-тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т. е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется частотно-зависимый коэффициент

()= h_21з()= ₀ / 1+j( /) (4.12)

где: ^о^В -- коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, t0p -- предель-ная частота коэффициента передачи тока базы.

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определя-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 принимает вид

(4.14)

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

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

(4.15)

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

Лекция 5. Униполярные транзисторы

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

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

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

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

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

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К -- кремний, А -- арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер раз-работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На-пример, транзистор КП302А -- кремниевый, полевой, малой мощности, высоко-частотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим р-н-треходам приведено на рис. 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро-вать ток в канале. На рис. 5.1 б приведен полевой транзистор с каналом /»-типа и затвором, выполненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводи-мости канала, поэтому полевые транзис-торы с управляющим ^-п-переходом рабо-тают только на обеднение канала носите-лями зарядов.

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

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

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графи-ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно-му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом ^-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица-тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке.

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

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про-исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1/пор. Увеличе-ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

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

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных 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 напряже-ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто-ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен-тодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро-тивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения -- как усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора опре-деляется уравнением

I_c= 2k (U_n- U_зн) U_сн- - U_сн/2. (5.1)

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

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, 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 линейной 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 будет мини-мальным Rmm= \f(2kUn). 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 управляющего напряжения на зат-воре приведен на рис. 5.6 а.

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

^^с= И» ^{= lk}(^u»~ ^п-Усн), откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

r_c.диф=1/ 2k(U_зн- U_n- U_сн) 5.4

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

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

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

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

I_с=k(U_n- U_зн)², (5.5)

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

i_{c пог}= kU ² _n (5.6)

Выражение (5.6) показывает, что значение коэффициента k, введенного в фор-муле (5.1), можно установить экспериментально, измерив начальный ток стока 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 значение 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 имеет при Мзи=0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при

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

S=S_max(1- U_зн / U_n) (5.9)

Схему замещения полевого транзистора для области насыщения можно 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 = SU_зн (5.10)

где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Схема замещения полевого транзистора приведена на рис. 5.7 я. В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Пользуясь этой схе-мой замещения, легко найти усиление простейшего 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 которой можно найти напряжение на нагрузке:

U_n= -i_cR_n= -U_зиSR_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 замещения в ^-параметрах (г)

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

I_з=y₁₁U_з + y₁₂U₀

I_c= y₂₁U_з + y₂₂U_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,

y₁₁= i₃ / U₃ и y₂₂= i_c / U₃. (5.12)

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

y₁₂= i_{3 /} U₃ и y₂₂=i_{c /} U_c (5.13)

Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что ^ц является проводимостью утечки 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 транзистора (или проводи-мость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если поло-жить Уп=Уп=у-а=0.

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

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характе-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, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависи-мости токов и напряжений. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его комму-тации и искажения фронтов импульсов.

Если пре-небречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замеще-ния будут иметь значения

y₁₁= y_вх= j(l_зс + l_зх), y₂₂= y_вых= g_сн + jl_зс, y₁₂= -jl_зс и y₂₁=S - jl_зс (5.14)

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

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

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на при-мере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуциро-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 переходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведенная на рис. 5.8 а.

При подаче прямоугольного импульса от источника t/„ вначале проис-ходит заряд емкости Сщ через сопротивление источника сигнала 7t„- До тех пор, пока напряжение на емкости Сзд не достигнет порогового напряжения t/nop, ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению источника 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 транзистора резко увеличится и будет равна

С_вх= C_зи + (1+ k_y)C_зс (5.15)

Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается обратно 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 транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свой-ства. При этом входная емкость станет равной Суя и скорость ее заряда резко увеличится. В результате 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 /,„. Аналогичный процесс происхо-дит при выключении транзистора: имеется время задержки выключения <з№вы«> время выключения /„ж, в течение которого спадает импульс тока стока, и время lye, установления исходного состояния.

Лекция 6. Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках 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 следующим:

* малые потери при коммутации;

* большая скорость переключения из одного состояния в другое;

* малое потребление по цепи управления;

* большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

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

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

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три ^-«-перехода. Край-няя область Р называется анодом, 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 соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а кол-лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

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

Ij₂= ₁I₁ + ₂I₂ + I_ko (6.1)

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

I(1- ₁- ₂) = I_ko, откуда получим значение внешнего тока

I= I_ko / I-(₁ + ₂) 6.2

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

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

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

После включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет ограничи-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 выкл или поменяв полярность напряжения на аноде.

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

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

После включения управляю-щий электрод теряет управляю-щие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис-тора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включе-нию при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило 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 скорости его изменения.

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

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

* допустимое обратное напряжение t/ogp;

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

* допустимый прямой ток /пр;

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

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного 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 управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда /у„ дли-тельность <„у, скорость нарастания dly/dt отвечали определенным тре-Рис. 6.7. Переходные процессы при включении бованиям, которые обеспечивают тиристора включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, 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 восстановления 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 рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор -- это симметричный тиристор, который предназначен для комму-тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив-ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор 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 система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время вклю-чения -- не более Юмкс.

Фототиристоры и фотосимисторы -- это тиристоры и симисторы с фотоэлектрон-ным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным свето-диодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В 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 напряжении до 600 В. Такие приборы находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальвани-ческую развязку цепей управления. Малое потребление цепи управления позволя-ет включать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ.

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

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имею-щих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, кото-рый не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6.12 а. На этой схеме VT -- полевой транзистор с изолированным затвором, П -- паразитный биполярный транзистор, и, -- по-следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R^ -- сопротивле-ние, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора П. Благодаря сопротивлению Ri биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характе-ристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12 б, характеризуются крутизной S и со-противлением канала Ri.