Біполярні транзистори
Пристрій і принцип дії біполярного транзистора. Біполярним транзистором називають підлозі провідникової прилад має два взаємодіючих між собою pn переходу. Технологія виготовлення біполярних транзисторів може бути різною - сплавлення, дифузія і т.д. це значною мірою визначає характеристики приладу.
Залежно від послідовності чергування областей з різним типом провідності розрізняють npn транзистори і pnp транзистори. Середня частина розглянутих структур аналізованих структур називається базою, одна крайня область називається колектором інша емітером в несиметричних структурах.
Електрод бази розташовується ближче до емітер, а ширина бази залежить від частотного діапазону транзистора і з підвищенням частоти зменшується. У залежності від полярності напруги, доданих до електродів транзистора, розрізняють наступні режими його роботи: лінійний (підсилювальний), насичення, відсічення і інверсний.
У лінійному режимі роботи транзистора емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному. У режимі насичення обидва переходу зміщені в прямому напрямі, а в режимі відсічення - у зворотному. І, нарешті, в інверсно режимі колекторний перехід зміщений у прямому напрямку, а емітерний - у зворотному. Крім розглянутих режимів можливий ще один режим, який є не робочим, а аварійним - це режим пробою.
Робота транзистора полягає в управлінні струмами електродів залежно від прикладених до його переходах напруг. У лінійному режимі, коли перехід база-емітер відкрито завдяки доданому до нього напрузі Е, = t / бе, через нього протікає струм бази 1ц. Протікання струму бази призводить до ін-жекціі зарядів з області колектора в область бази, причому струм колектора визначається як i ^ = Bi "де В - коефіцієнт передачі струму бази. Пряме напруга С / бе на емітерний перехід пов'язано зі струмом колектора рівнянням Еберса - Молла
i к = I k Б.О. (e U бз / j т -1), (4.1)
де I кб.о - зворотний струм колекторного переходу при його зворотному зміщення, (j т - тепловий потенціал.
З рівняння (4.1) випливає, що при прямому зміщенні емітерного переходу і виконанні умови 1/бе> <рг, струм колектора зростає із зростанням напруги 1/ве за експоненціальним законом:
i к = I k Б.О. e U бз / j т, (4.2)
де e U бз / j т - контактна різниця потенціалів.
При зміні полярності напруги на емітерний перехід транзистор переходить в режим відсічення і струм колектора дорівнює зворотному струму колекторного переходу Л.обр ^ кв.о. З рівняння (4.1) легко знайти напруга на емітерний перехід
U бе = j т ln (I k / I кб.о +1), (4.3)
Оскільки ф т = 25мВ при Г = ЗООК, то вже при напрузі [/ ае ^ ЮОмВ можна вважати, що (/ в ^ = <Pтln (^ к / ^ кб.o) Вихідні вольт-амперні характеристики транзистора наведено на рис. 4.2 о. Лінійна область на цих характеристиках відзначена штриховою лінією. Транзистор буде знаходитися в лінійній області, якщо напруга на колекторі досить велике і виходить за кордон штрихової лінії.
Відзначимо деякі особливості характеристик транзистора в лінійній області. По-перше, збільшення струму колектора пропорційно зміні струму бази. По-друге, струм колектора майже не залежить від напруги на колекторі. По-третє, напруга на базі не залежить від напруги на колекторі і слабо залежить від струму бази.
Зі сказаного випливає, що в лінійному режимі транзистор для малих збільшень струму бази можна замінити джерелом струму колектора, керованого струмом бази. При цьому, якщо знехтувати падінням напруги між базою і емітером, то можна вважати цей перехід коротким замиканням. У результаті для лінійного режиму можна використовувати найпростішу модель транзистора, наведену на рис. 4.3 а.
Користуючись цією моделлю, можна легко розрахувати коефіцієнт посилення каскаду, зображеного на рис. 4.3 б. Замінюючи транзистор його моделлю, отримаємо еквівалентну схему, зображену на рис. 4.3 ст. Для цієї формули знаходимо i k = U c / R б; i k = B i б U k = i k R n = Bi б R n звідки
U cBR »U n = U c BR n / R б або K n = R n / R б
Якщо необхідно зробити розрахунок більш точним, то модель транзистора можна ускладнити введенням інших параметрів, які не враховувалися при складанні схеми. Схемою заміщення відповідають рівняння, які називаються рівняннями транзистора в Я-параметрах
U б j = H 11 i б + H 12 U k j
I k = H 21 i б + H 22 U k j .
Фізичний сенс параметрів, наведених у системі рівнянь (4.4), можна легко встановити, якщо скористатися режимами холостого ходу на вході схеми і короткого замикання на її виході.
При холостому ході на вході г'б = 0, звідки знаходимо два параметри
H 12 = U б j / U k j і H 22 = i k / U k j (4.5)
Аналогічно при короткому замиканні на виході (і ^ = 0) знаходимо два інших параметра
H 11 = U б j / i б і H 21 = i k / i б (4.6)
Параметри холостого ходу відповідно до (4.5) позначаються як: Я ^ - зворотна передача за напрямом і НЦ - вихідна провідність. Параметри короткого замикання визначаються з (4.6) і мають значення: Яц - вхідний опір, Н ^ - пряма передача по струму.
Так, при Яц = Я) 2 = Ям = 0
Відзначимо, що в довідниках з транзисторам зазвичай наводяться не всі чотири Я-параметра, а тільки деякі з них. Обов'язково наводиться параметр НЦ = В - коефіцієнт передачі по струму, а інші, якщо вони не наводяться, іноді можна розрахувати за рівнянням (4.5) і (4.6).
Для переходу з лінійного режиму в режим насичення необхідно збільшувати струм бази до тих пір, поки напруга на колекторі не понизиться до такого значення, при якому відбудеться 'відмикання колекторного переходу. Така ситуація може виникнути в схемі рис. 4.3 б, коли в колекторному ланцюзі включений опір навантаження R ^. У цьому випадку збільшення струму бази ^ призведе до збільшення струму колектора г "- В результаті збільшиться падіння напруги на навантаженні R» і зменшиться напруга на колекторі м "е. Умовою насичення транзістра є рівність нулю напруги
U кб = U до j - U б j = 0. (4.7)
При глибокому насиченні транзистора виконується умова і ^> 0. У будь-якому випадку при переході в режим насичення в базі протікає надлишковий струм, тобто струм бази перевищує значення, необхідне для отримання даного струму колектора при роботі транзистора в лінійному режимі. Виконання умови і ^ = 0 зазвичай називають граничним режимом, так як він характеризує перехід транзистора з лінійного режиму в режим насичення. Глибину насичення транзистора характеризують коефіцієнтом насичення, який визначають як відношення струму бази I & нас транзистора в насиченому режимі до струму бази / g ^ в граничному режимі
q = I б сел / I б гр (4-8)
При глибокому насиченні транзистора в базі накопичується велика кількість неосновних носіїв, які затримують вимикання транзистора.
Оскільки в режимі насичення напруга між колектором і емітером досить мале, то в цьому режимі транзистор можна замінити замкнутим ключем, на якому падає невелика напруга. Схема заміщення транзистора в режимі насичення наведена на рис. 4.5 а. Відповідно до цієї схеми заміщення напруга на насиченому ключі визначається за формулою
U k j. сел = I k R сел + E n, (4.9)
де R сел. опір насиченого ключа, E n = 0,5 ... 0,1 В. У довідкових даних на транзистори зазвичай наводиться значення С / "ЕНАС при заданому струмі колектора.
Іншим ключовим режимом біполярного транзистора є режим відсічки. Перекласти транзистор у режим відсічки можна додатком між базою і емітером зворотної напруги. Граничним режимом у цьому випадку є виконання умови і ^ О. Відповідно до цієї схеми заміщення транзистор в режимі відсічки має деякий достатньо великий опір Ry і паралельно включений йому генератор невеликого струму витоку / ут ^ ./кбо- На вольт-амперних характеристиках транзистора, наведених на рис. 4.2 а, режиму відсічки відповідає горизонтальна лінія при i'8 = 0.
У довідкових даних на транзистори для режиму відсічки зазвичай наводиться зворотний струм колектор - емітер / "л при заданій напрузі на колекторі і при заданому опорі R, включеному між базою і емітером. Таким чином, два ключових режиму транзистора - режими насичення і відсічення - дозволяють використовувати транзистор як замкнутий або розімкнутий ключ S.
Транзисторні ключі знаходять широке застосування в різних електронних пристроях: вимірювальних підсилювачах для комутації сигналів, в силових перетворювачах частоти та ін У всіх цих застосуваннях транзистор поперемінно переводиться з режиму насичення в режим відсічення і назад. У зв'язку з цим дуже важливим є швидкість перемикання такого ключа, яка зазвичай характеризується часом перемикання або максимальною частотою комутації.
Останнім режимом роботи транзистора є інверсний режим, при якому колекторний перехід зміщується в прямому напрямі, а емітерний у зворотному.
По суті справи, в цьому режимі колектор і емітер міняються місцями і роль колектора тепер виконує емітер. Якщо транзистор несиметричний, то зазвичай у інверсному режимі падає посилення транзистора (вщп, <Дл,, в) -
Найбільш часто інверсний режим транзистора використовується в двонаправлених ключах. У цьому випадку транзистор робиться симетричним і його посилення практично не змінюється при заміні колектора і емітера. У таких транзисторах області колектора і емітера мають однакові властивості і геометричні розміри, тому будь-яка з них може працювати як емітер або колектор. Для симетричних транзисторів характеристики в інверсному режимі подібні характеристиками в лінійному режимі.
Динамічні характеристики біполярного транзистора. Динамічні характеристики транзистора по-різному описують його поведінку в лінійному або ключовому режимах. Для ключових режимів дуже важливим є час перемикання транзистора з одного стану в інший. У той же час для підсилювального режиму транзистора більш важливими є його властивості, які показують можливість транзистора підсилювати сигнали різних частот.
Струм колектора досягає сталого значення не відразу після подачі струму в базу. Є деякий час затримки / зад, через яке з'являється струм у колекторі. Потім струм у колекторі плавно наростає і після часу t »sp досягає» сталого значення 7кл.
i вкл = i зад + i пір, (4.10)
де i вкл, - час включення транзистора.
При виключенні транзистора на сто базу подасться зворотна напруга, в результаті чого струм бази змінює свій напрямок і стає рівним / Блик. Поки відбувається розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі, цей струм не змінює свого значення. Цей час називається часом розсмоктування г "с. Після закінчення процесу розсмоктування відбувається спад струму бази, який триває протягом часу tea-Таким чином, час вимкнення транзистора одно
i вик = i рас + i сп. (4.11)
Слід особливо відзначити, що при виключенні транзистора, незважаючи на зміну напряму струму бази, транзистор протягом часу tyc залишається включеним і колекторний струм не змінює свого значення. Спад струму колектора починається одночасно зі спадом струму бази і закінчуються вони практично одночасно.
Час розсмоктування сильно залежить від ступеня насичення транзистора перед вимкненням. Мінімальний час вимикання виходить при граничному режимі насичення. Для прискорення процесу розсмоктування в базу пропускають зворотний струм, який залежить від зворотного напруги на базі. Однак прикладати до бази велике зворотне напруга не можна, тому що може статися пробій переходу база-емітер. Максимальна зворотна напруга на базі зазвичай не перевищує 5 ... 7В.
Якщо до бази транзистора в процесі замикання не прикладається зворотна напруга (наприклад, база замикається на емітер), то таке замикання транзистора називається пасивним. При пасивному запиранні час розсмоктування значно збільшується, а зворотний струм бази зменшується.
Форма імпульсу струму колектора не тільки змінюється за рахунок розтягування тривалості фронтів, але й сам імпульс збільшується за тривалістю на час {pie. У довідкових даних зазвичай призводять часи включення, спаду і розсмоктування. Для найбільш швидких транзисторів час розсмоктування має значення 0,1 ... 0,5 мкс, однак для багатьох силових транзисторів воно досягає Юмкс.
Динамічні властивості транзистора в усилительном режимі прийнято характеризувати не часом включення або виключення, а його частотними характеристиками. Є багато різних моделей транзисторів, що працюють на високих частотах, проте найбільш поширеними є моделі, засновані на схемі заміщення Джиаколетто та апроксимації залежності коефіцієнта передачі струму бази (або емітера) на високій частоті. Розглянемо спочатку схему заміщення транзистора, запропоновану Джіако-лстто. Ці схема наведена на рис. 4.8 а і є П-подібну схему, в якій підсилювальні властивості транзистора враховані крутизною S його вольт-амперної характеристики (тобто провідністю прямої передачі), а частотна залежність підсилювальних властивостей визначається урахуванням ємностей між базою і колектором - С "і базою і емітером - С,. Гідність цієї схеми заміщення полягає в тому, що вона з достатньою для практичних розрахунків точністю відображає реальний властивість транзисторів на високих частотах. Крім того, всі параметри елементів цієї схеми заміщення можна легко виміряти або розрахувати.
На схемі заміщення (рис. 4.8 а) точки Б, К я Е є реальними висновками бази, колектора і емітера транзистора. Точка Б 'знаходиться всередині транзистора і, отже, доступу до неї немає. Опір rg, що розділяє точки Б і Б ', називають розподіленим опором бази. Активна провідність g, і ємність С, спільно відображають повну провідність емітерного переходу. Ставлення цих величин називається постійної часу емітерного переходу т, = Се / ^ е і від режиму роботи транзистора практично не залежить.
Вплив колекторного переходу враховано його повної провідністю, що складається з g ^ і С ". Ставлення цих параметрів називається постійної часу колекторного переходу • ^ к = C, ^ /? До і також майже не залежить від режиму роботи транзистора. Провідність gt зазвичай дуже мала, а ємність С »дещо зменшується зі збільшенням напруги на колекторі.
Наявність зв'язку між емітером і колектором враховано у схемі заміщення активної провідністю ^ ек-Д ™ високочастотних транзисторів ця провідність настільки мала, що її можна не враховувати. Джерело струму Suy.,, Включений між колектором і емітером, аналогічний джерела струму Н ^ е, наведеному у схемі заміщення рис. 4.4, проте на відміну від останнього він управляється не струмом бази if,, а напругою щ-у
Ця схема пояснює причини, що призводять до зменшення посилення транзистора з підвищенням частоти. По-перше, із зростанням частоти зменшується повна провідність емітерного переходу, що призводить до збільшення струму »е і збільшення падіння напруги на f«.
Рис. 4.8. Схема заміщення транзистора на високій частоті (а) і частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази (б)
Таким чином, керуюча напруга Me., Для джерела струму зменшується з ростом частоти і, отже, зменшується посилення транзистора.
Додаткове зниження посилення обумовлено впливом колекторної провідності, яка теж зменшується з ростом частоти. У результаті струм бази ще більше збільшується, що приводить до додаткового зниження напруги «в-е.
Іншим способом обліку впливу частоти на підсилювальні властивості транзистора є апроксимація залежності коефіцієнта передачі струму бази від частоти, тобто замість постійного значення коефіцієнта передачі струму бази У використовується частотно-залежний коефіцієнт
b (w) = h 21з (w) = b 0 / 1 + j (w / w b) (4.12)
де: ^ о ^ В - коефіцієнт передачі струму бази на низькій частоті, t0p - гранична частота коефіцієнта передачі струму бази.
Модуль частотної залежності коефіцієнта передачі струму бази визначається за формулою
(4.13)
На частоті ю = й) р модуль коефіцієнта передачі зменшується в порівнянні з ро в л / 2 = 1,41 рази. Якщо <B> 3 (0 (i, то частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази набуває вигляду
(4.14)
де <»r = pot0p гранична частота коефіцієнта передачі струму бази, на якій коефіцієнт передачі струму знижується до одиниці.
Розглянута частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази наведена на рис. 4.8 б. Слід врахувати, що крім падіння підсилення з зростанням частоти має місце фазовий зсув вихідного сигналу в порівнянні з вхідним, визначається формулою
Пристрій і принцип дії біполярного транзистора. Біполярним транзистором називають підлозі провідникової прилад має два взаємодіючих між собою pn переходу. Технологія виготовлення біполярних транзисторів може бути різною - сплавлення, дифузія і т.д. це значною мірою визначає характеристики приладу.
Залежно від послідовності чергування областей з різним типом провідності розрізняють npn транзистори і pnp транзистори. Середня частина розглянутих структур аналізованих структур називається базою, одна крайня область називається колектором інша емітером в несиметричних структурах.
Електрод бази розташовується ближче до емітер, а ширина бази залежить від частотного діапазону транзистора і з підвищенням частоти зменшується. У залежності від полярності напруги, доданих до електродів транзистора, розрізняють наступні режими його роботи: лінійний (підсилювальний), насичення, відсічення і інверсний.
У лінійному режимі роботи транзистора емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному. У режимі насичення обидва переходу зміщені в прямому напрямі, а в режимі відсічення - у зворотному. І, нарешті, в інверсно режимі колекторний перехід зміщений у прямому напрямку, а емітерний - у зворотному. Крім розглянутих режимів можливий ще один режим, який є не робочим, а аварійним - це режим пробою.
Робота транзистора полягає в управлінні струмами електродів залежно від прикладених до його переходах напруг. У лінійному режимі, коли перехід база-емітер відкрито завдяки доданому до нього напрузі Е, = t / бе, через нього протікає струм бази 1ц. Протікання струму бази призводить до ін-жекціі зарядів з області колектора в область бази, причому струм колектора визначається як i ^ = Bi "де В - коефіцієнт передачі струму бази. Пряме напруга С / бе на емітерний перехід пов'язано зі струмом колектора рівнянням Еберса - Молла
i к = I k Б.О. (e U бз / j т -1), (4.1)
де I кб.о - зворотний струм колекторного переходу при його зворотному зміщення, (j т - тепловий потенціал.
З рівняння (4.1) випливає, що при прямому зміщенні емітерного переходу і виконанні умови 1/бе> <рг, струм колектора зростає із зростанням напруги 1/ве за експоненціальним законом:
i к = I k Б.О. e U бз / j т, (4.2)
де e U бз / j т - контактна різниця потенціалів.
При зміні полярності напруги на емітерний перехід транзистор переходить в режим відсічення і струм колектора дорівнює зворотному струму колекторного переходу Л.обр ^ кв.о. З рівняння (4.1) легко знайти напруга на емітерний перехід
U бе = j т ln (I k / I кб.о +1), (4.3)
Оскільки ф т = 25мВ при Г = ЗООК, то вже при напрузі [/ ае ^ ЮОмВ можна вважати, що (/ в ^ = <Pтln (^ к / ^ кб.o) Вихідні вольт-амперні характеристики транзистора наведено на рис. 4.2 о. Лінійна область на цих характеристиках відзначена штриховою лінією. Транзистор буде знаходитися в лінійній області, якщо напруга на колекторі досить велике і виходить за кордон штрихової лінії.
Відзначимо деякі особливості характеристик транзистора в лінійній області. По-перше, збільшення струму колектора пропорційно зміні струму бази. По-друге, струм колектора майже не залежить від напруги на колекторі. По-третє, напруга на базі не залежить від напруги на колекторі і слабо залежить від струму бази.
Зі сказаного випливає, що в лінійному режимі транзистор для малих збільшень струму бази можна замінити джерелом струму колектора, керованого струмом бази. При цьому, якщо знехтувати падінням напруги між базою і емітером, то можна вважати цей перехід коротким замиканням. У результаті для лінійного режиму можна використовувати найпростішу модель транзистора, наведену на рис. 4.3 а.
Користуючись цією моделлю, можна легко розрахувати коефіцієнт посилення каскаду, зображеного на рис. 4.3 б. Замінюючи транзистор його моделлю, отримаємо еквівалентну схему, зображену на рис. 4.3 ст. Для цієї формули знаходимо i k = U c / R б; i k = B i б U k = i k R n = Bi б R n звідки
U cBR »U n = U c BR n / R б або K n = R n / R б
Якщо необхідно зробити розрахунок більш точним, то модель транзистора можна ускладнити введенням інших параметрів, які не враховувалися при складанні схеми. Схемою заміщення відповідають рівняння, які називаються рівняннями транзистора в Я-параметрах
U б j = H 11 i б + H 12 U k j
I k = H 21 i б + H 22 U k j .
Фізичний сенс параметрів, наведених у системі рівнянь (4.4), можна легко встановити, якщо скористатися режимами холостого ходу на вході схеми і короткого замикання на її виході.
При холостому ході на вході г'б = 0, звідки знаходимо два параметри
H 12 = U б j / U k j і H 22 = i k / U k j (4.5)
Аналогічно при короткому замиканні на виході (і ^ = 0) знаходимо два інших параметра
H 11 = U б j / i б і H 21 = i k / i б (4.6)
Параметри холостого ходу відповідно до (4.5) позначаються як: Я ^ - зворотна передача за напрямом і НЦ - вихідна провідність. Параметри короткого замикання визначаються з (4.6) і мають значення: Яц - вхідний опір, Н ^ - пряма передача по струму.
Так, при Яц = Я) 2 = Ям = 0
Відзначимо, що в довідниках з транзисторам зазвичай наводяться не всі чотири Я-параметра, а тільки деякі з них. Обов'язково наводиться параметр НЦ = В - коефіцієнт передачі по струму, а інші, якщо вони не наводяться, іноді можна розрахувати за рівнянням (4.5) і (4.6).
Для переходу з лінійного режиму в режим насичення необхідно збільшувати струм бази до тих пір, поки напруга на колекторі не понизиться до такого значення, при якому відбудеться 'відмикання колекторного переходу. Така ситуація може виникнути в схемі рис. 4.3 б, коли в колекторному ланцюзі включений опір навантаження R ^. У цьому випадку збільшення струму бази ^ призведе до збільшення струму колектора г "- В результаті збільшиться падіння напруги на навантаженні R» і зменшиться напруга на колекторі м "е. Умовою насичення транзістра є рівність нулю напруги
U кб = U до j - U б j = 0. (4.7)
При глибокому насиченні транзистора виконується умова і ^> 0. У будь-якому випадку при переході в режим насичення в базі протікає надлишковий струм, тобто струм бази перевищує значення, необхідне для отримання даного струму колектора при роботі транзистора в лінійному режимі. Виконання умови і ^ = 0 зазвичай називають граничним режимом, так як він характеризує перехід транзистора з лінійного режиму в режим насичення. Глибину насичення транзистора характеризують коефіцієнтом насичення, який визначають як відношення струму бази I & нас транзистора в насиченому режимі до струму бази / g ^ в граничному режимі
q = I б сел / I б гр (4-8)
При глибокому насиченні транзистора в базі накопичується велика кількість неосновних носіїв, які затримують вимикання транзистора.
Оскільки в режимі насичення напруга між колектором і емітером досить мале, то в цьому режимі транзистор можна замінити замкнутим ключем, на якому падає невелика напруга. Схема заміщення транзистора в режимі насичення наведена на рис. 4.5 а. Відповідно до цієї схеми заміщення напруга на насиченому ключі визначається за формулою
U k j. сел = I k R сел + E n, (4.9)
де R сел. опір насиченого ключа, E n = 0,5 ... 0,1 В. У довідкових даних на транзистори зазвичай наводиться значення С / "ЕНАС при заданому струмі колектора.
Іншим ключовим режимом біполярного транзистора є режим відсічки. Перекласти транзистор у режим відсічки можна додатком між базою і емітером зворотної напруги. Граничним режимом у цьому випадку є виконання умови і ^ О. Відповідно до цієї схеми заміщення транзистор в режимі відсічки має деякий достатньо великий опір Ry і паралельно включений йому генератор невеликого струму витоку / ут ^ ./кбо- На вольт-амперних характеристиках транзистора, наведених на рис. 4.2 а, режиму відсічки відповідає горизонтальна лінія при i'8 = 0.
У довідкових даних на транзистори для режиму відсічки зазвичай наводиться зворотний струм колектор - емітер / "л при заданій напрузі на колекторі і при заданому опорі R, включеному між базою і емітером. Таким чином, два ключових режиму транзистора - режими насичення і відсічення - дозволяють використовувати транзистор як замкнутий або розімкнутий ключ S.
Транзисторні ключі знаходять широке застосування в різних електронних пристроях: вимірювальних підсилювачах для комутації сигналів, в силових перетворювачах частоти та ін У всіх цих застосуваннях транзистор поперемінно переводиться з режиму насичення в режим відсічення і назад. У зв'язку з цим дуже важливим є швидкість перемикання такого ключа, яка зазвичай характеризується часом перемикання або максимальною частотою комутації.
Останнім режимом роботи транзистора є інверсний режим, при якому колекторний перехід зміщується в прямому напрямі, а емітерний у зворотному.
По суті справи, в цьому режимі колектор і емітер міняються місцями і роль колектора тепер виконує емітер. Якщо транзистор несиметричний, то зазвичай у інверсному режимі падає посилення транзистора (вщп, <Дл,, в) -
Найбільш часто інверсний режим транзистора використовується в двонаправлених ключах. У цьому випадку транзистор робиться симетричним і його посилення практично не змінюється при заміні колектора і емітера. У таких транзисторах області колектора і емітера мають однакові властивості і геометричні розміри, тому будь-яка з них може працювати як емітер або колектор. Для симетричних транзисторів характеристики в інверсному режимі подібні характеристиками в лінійному режимі.
Динамічні характеристики біполярного транзистора. Динамічні характеристики транзистора по-різному описують його поведінку в лінійному або ключовому режимах. Для ключових режимів дуже важливим є час перемикання транзистора з одного стану в інший. У той же час для підсилювального режиму транзистора більш важливими є його властивості, які показують можливість транзистора підсилювати сигнали різних частот.
Струм колектора досягає сталого значення не відразу після подачі струму в базу. Є деякий час затримки / зад, через яке з'являється струм у колекторі. Потім струм у колекторі плавно наростає і після часу t »sp досягає» сталого значення 7кл.
i вкл = i зад + i пір, (4.10)
де i вкл, - час включення транзистора.
При виключенні транзистора на сто базу подасться зворотна напруга, в результаті чого струм бази змінює свій напрямок і стає рівним / Блик. Поки відбувається розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі, цей струм не змінює свого значення. Цей час називається часом розсмоктування г "с. Після закінчення процесу розсмоктування відбувається спад струму бази, який триває протягом часу tea-Таким чином, час вимкнення транзистора одно
i вик = i рас + i сп. (4.11)
Слід особливо відзначити, що при виключенні транзистора, незважаючи на зміну напряму струму бази, транзистор протягом часу tyc залишається включеним і колекторний струм не змінює свого значення. Спад струму колектора починається одночасно зі спадом струму бази і закінчуються вони практично одночасно.
Час розсмоктування сильно залежить від ступеня насичення транзистора перед вимкненням. Мінімальний час вимикання виходить при граничному режимі насичення. Для прискорення процесу розсмоктування в базу пропускають зворотний струм, який залежить від зворотного напруги на базі. Однак прикладати до бази велике зворотне напруга не можна, тому що може статися пробій переходу база-емітер. Максимальна зворотна напруга на базі зазвичай не перевищує 5 ... 7В.
Якщо до бази транзистора в процесі замикання не прикладається зворотна напруга (наприклад, база замикається на емітер), то таке замикання транзистора називається пасивним. При пасивному запиранні час розсмоктування значно збільшується, а зворотний струм бази зменшується.
Форма імпульсу струму колектора не тільки змінюється за рахунок розтягування тривалості фронтів, але й сам імпульс збільшується за тривалістю на час {pie. У довідкових даних зазвичай призводять часи включення, спаду і розсмоктування. Для найбільш швидких транзисторів час розсмоктування має значення 0,1 ... 0,5 мкс, однак для багатьох силових транзисторів воно досягає Юмкс.
Динамічні властивості транзистора в усилительном режимі прийнято характеризувати не часом включення або виключення, а його частотними характеристиками. Є багато різних моделей транзисторів, що працюють на високих частотах, проте найбільш поширеними є моделі, засновані на схемі заміщення Джиаколетто та апроксимації залежності коефіцієнта передачі струму бази (або емітера) на високій частоті. Розглянемо спочатку схему заміщення транзистора, запропоновану Джіако-лстто. Ці схема наведена на рис. 4.8 а і є П-подібну схему, в якій підсилювальні властивості транзистора враховані крутизною S його вольт-амперної характеристики (тобто провідністю прямої передачі), а частотна залежність підсилювальних властивостей визначається урахуванням ємностей між базою і колектором - С "і базою і емітером - С,. Гідність цієї схеми заміщення полягає в тому, що вона з достатньою для практичних розрахунків точністю відображає реальний властивість транзисторів на високих частотах. Крім того, всі параметри елементів цієї схеми заміщення можна легко виміряти або розрахувати.
На схемі заміщення (рис. 4.8 а) точки Б, К я Е є реальними висновками бази, колектора і емітера транзистора. Точка Б 'знаходиться всередині транзистора і, отже, доступу до неї немає. Опір rg, що розділяє точки Б і Б ', називають розподіленим опором бази. Активна провідність g, і ємність С, спільно відображають повну провідність емітерного переходу. Ставлення цих величин називається постійної часу емітерного переходу т, = Се / ^ е і від режиму роботи транзистора практично не залежить.
Вплив колекторного переходу враховано його повної провідністю, що складається з g ^ і С ". Ставлення цих параметрів називається постійної часу колекторного переходу • ^ к = C, ^ /? До і також майже не залежить від режиму роботи транзистора. Провідність gt зазвичай дуже мала, а ємність С »дещо зменшується зі збільшенням напруги на колекторі.
Наявність зв'язку між емітером і колектором враховано у схемі заміщення активної провідністю ^ ек-Д ™ високочастотних транзисторів ця провідність настільки мала, що її можна не враховувати. Джерело струму Suy.,, Включений між колектором і емітером, аналогічний джерела струму Н ^ е, наведеному у схемі заміщення рис. 4.4, проте на відміну від останнього він управляється не струмом бази if,, а напругою щ-у
Ця схема пояснює причини, що призводять до зменшення посилення транзистора з підвищенням частоти. По-перше, із зростанням частоти зменшується повна провідність емітерного переходу, що призводить до збільшення струму »е і збільшення падіння напруги на f«.
Рис. 4.8. Схема заміщення транзистора на високій частоті (а) і частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази (б)
Таким чином, керуюча напруга Me., Для джерела струму зменшується з ростом частоти і, отже, зменшується посилення транзистора.
Додаткове зниження посилення обумовлено впливом колекторної провідності, яка теж зменшується з ростом частоти. У результаті струм бази ще більше збільшується, що приводить до додаткового зниження напруги «в-е.
Іншим способом обліку впливу частоти на підсилювальні властивості транзистора є апроксимація залежності коефіцієнта передачі струму бази від частоти, тобто замість постійного значення коефіцієнта передачі струму бази У використовується частотно-залежний коефіцієнт
b (w) = h 21з (w) = b 0 / 1 + j (w / w b) (4.12)
де: ^ о ^ В - коефіцієнт передачі струму бази на низькій частоті, t0p - гранична частота коефіцієнта передачі струму бази.
Модуль частотної залежності коефіцієнта передачі струму бази визначається за формулою
На частоті ю = й) р модуль коефіцієнта передачі зменшується в порівнянні з ро в л / 2 = 1,41 рази. Якщо <B> 3 (0 (i, то частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази набуває вигляду
де <»r = pot0p гранична частота коефіцієнта передачі струму бази, на якій коефіцієнт передачі струму знижується до одиниці.
Розглянута частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази наведена на рис. 4.8 б. Слід врахувати, що крім падіння підсилення з зростанням частоти має місце фазовий зсув вихідного сигналу в порівнянні з вхідним, визначається формулою
Оскільки фазовий зсув залежить від частоти, то сигнали з широким спектром частот будуть додатково спотворюватися за рахунок фазового зсуву гармонік.
Лекція 5. Уніполярні транзистори
Пристрій і принцип дії униполярного транзистора. Уніполярними, чи польовими, транзисторами називаються напівпровідникові прилади, в яких регулювання струму виробляється зміною провідності провідного каналу за допомогою електричного поля, перпендикулярного напрямку струму. Обидві назви цих транзисторів досить точно відображає їхні основні особливості: проходження струму в каналі зумовлена лише одним типом зарядів, і управління струмом каналу здійснюється за допомогою електричного поля.
Електроди, підключені до каналу, називаються стоком (Drain) і витоком (Source), а керуючий електрод називається затвором (Gate). Напруга управління, яке створює поле в каналі, прикладається між затвором і витоком. Залежно від виконання затвора уніполярні транзистори поділяються на дві групи: з керуючим р-л-переходом і з ізольованим затвором.
У польових транзисторах з ізольованим затвором електрод затвора ізольований від напівпровідникового каналу за допомогою шару діелектрика з двоокису кремнію SiOi. Електроди стоку і витоку розташовуються по обидві сторони затвора і мають контакт з напівпровідниковим каналом. Струм витоку затвора пренебрежимо малий навіть при підвищених температурах. Напівпровідниковий канал може бути збіднений носіями зарядів або збагачений ними. При обідньому каналі електричне поле затвора підвищує його провідність, тому канал називається індукованим. Якщо канал збагачений носіями зарядів, то він називається вбудованим. Електричне поле затвора в цьому випадку призводить до збіднення каналу носіями зарядів.
Провідність каналу може бути електронною або доречний. Якщо канал має електронну провідність, то він називається я-каналом. Канали з діркової провідністю називаються ^-каналами. У результаті польові транзистори з ізольованим затвором можуть бути чотирьох типів: з каналом п-або р-ттов, кожен з яких може мати індукований або вбудований канал.
Графічне позначення транзисторів містить максимальну інформацію про її устрій. Канал транзистора зображується вертикально штриховий або суцільною лінією. Штрихове лінія позначає індукований канал, а суцільна - вбудований. Джерело та сток діють як невипрямляющіе контакти, тому зображуються під прямим кутом до каналу. Підкладка зображується як електрод зі стрілкою, напрямок якої вказує тип провідності каналу. Затвор зображується вертикальною лінією, паралельною каналу. Висновок затвора звернений до електрода витоку.
Умовне позначення польових транзисторів складається з ряду букв і цифр. Перша літера вказує матеріал, з якого виготовлений прилад (К - кремній, А - арсенід галію). Друга буква, П, вказує на приналежність до групи польових транзисторів. Перша цифра вказує на допустиму рассеиваемую потужність і максимальну робочу частоту. Далі йде двозначний номер розробки транзистора. П'ята буква відповідає розбракуванню за параметрами. Наприклад, транзистор КП302А - кремнієвий, польовий, малої потужності, високочастотний.
Пристрій польового транзистора з керуючим р-н-треходам наведено на рис. 5.1 б. У такому транзисторі затвор виконаний у вигляді назад зміщеного р-п-переходу. Зміна зворотної напруги на затворі дозволяє регулювати струм в каналі. На рис. 5.1 б наведено польовий транзистор з каналом / »-типу і затвором, виконаним з областей п-типу. Збільшення зворотної напруги на затворі призводить до зниження провідності каналу, тому польові транзистори з керуючим ^-п-переходом працюють тільки на збіднення каналу носіями зарядів.
Оскільки ПТУП можуть працювати тільки з зубожінням каналу, то наявність вбудованого каналу показано на цьому ізображеніісплошной лінією, яка має контакти з електродами стоку і витоку. Напрям стрілки на виведенні затвора вказує тип провідності каналу.
Таким чином, повний набір різновидів польових транзисторів, наявних в довідковій літературі, вичерпується шістьма різновидами. Користуючись цими характеристиками, можна встановити полярність напруги, що управляє, напрям струму в каналі і діапазон зміни напруги, що управляє. З усіх наведених різновидів транзисторів в даний час не випускаються тільки ПТІЗ з вбудованим каналом ^-типу.
Розглянемо деякі особливості цих характеристик. Всі характеристики польових транзисторів з каналом n-типу розташовані у верхній половині графіка і, отже, мають позитивний струм, що відповідає позитивному напрузі на стоці. Навпаки, всі характеристики приладів з каналом ^-типу розташовані в нижній половині графіка і, отже, мають негативне значення струму і негативне напруга на стоці.
Характеристики ПТУП при нульовій напрузі на затворі мають максимальне значення струму, яке називається початковим / "" «ч-При збільшенні замикаючого напруги струм стоку зменшується і при напрузі відсічки t / відступ стає близьким до нуля.
Характеристики ПТІЗ з індукованим каналом при нульовій напрузі на затворі мають нульовий струм. Поява струму стоку в таких транзисторах відбувається при напрузі на затворі більше порогового значення 1/пор. Збільшення напруги на затворі призводить до збільшення струму стоку.
Характеристики ПТІЗ з вбудованим каналом при нульовій напрузі на затворі мають початкове значення струму / с поч. Такі транзистори можуть працювати як в режимі збагачення, так і в режимі збідніння. При збільшенні напруги на затворі канал збагачується і струм стоку зростає, а при зменшенні напруги на затворі канал збіднюється і струм стоку знижується.
Характеристики інших типів транзисторів мають аналогічний вигляд, але відрізняються напругою на затворі і полярністю прикладених напружень. На цих вольт-амперних характеристиках можна виділити дві області: лінійну та насичення.
У лінійній області вольт-амперні характеристики аж до точки перегину представляють собою прямі лінії, нахил яких залежить від напруги на затворі. В області насичення вольт-амперні характеристики йдуть практично горизонтально, що дозволяє говорити про назавісімості струму стоку від напруги на стоці. У цій області вихідні характеристики польових транзисторів всіх типів схожі з характеристиками електровакуумних пентодів. Особливості цих характеристик зумовлюють застосування польових транзисторів. У лінійній області польовий транзистор використовується як опір, кероване напругою на затворі, а в області насичення - як підсилювальний елемент. Розглянемо особливості роботи польових транзисторів у цих областях.
Лінійна область. У лінійній області струм стоку польового транзистора визначається рівнянням
I c = 2 k [(U n - U зн) U сн - U сн / 2]. (5.1)
де k - постійний коефіцієнт, що залежить від конструкції транзистора, U "- порогове напруга (або напруга відсічення), МДІ - напруга між затвором і витоком, йен - напруга між стоком і витоком.
На початковій ділянці лінійної області (до перегину) можна при малому значенні напруги на стоці скористатися спрощеним виразом, вважаючи У (5.1) Уа. ^ 0:
i c »2k (U n - U зн) U сн (5.2)
Вираз (5.2) дозволяє визначити опір каналу в лінійній області
R c = U сн / i c = 1 / 2k (U n - U зн) (5.3)
З виразу (5.3) випливає, що при ІЕМ = 0 опір каналу буде мінімальним Rmm = \ f (2kUn). Якщо напруга на затворі прагне до граничного значення Мзн-t/in то опір каналу зростає до нескінченності: Re-* 00. Графік залежності опору каналу від керуючої напруги на затворі наведено на рис. 5.6 а.
При наближенні до точки перегину вольт-амперних характеристик опір каналу починає збільшуватися, оскільки позначається другий член у виразі (5.1). У цьому випадку можна визначити диференціальну провідність каналу, користуючись формулою (5.1):
^ З = І »= lk (u» ~ ^ п-ССО), звідки одержуємо значення диференціального опору каналу
r c. диф = 1 / 2 k (U зн - U n - U сн) 5.4
Залежність опору каналу від напруги на стоці t / сн порушує лінійність опору, однак при малому рівні сигналу цією залежністю можна знехтувати. Таким чином, основне застосування польових транзисторів в лінійній області визначається їх здатністю змінювати опір при зміні напруги на затворі. Це опір для потужних польових транзисторів з ізольованим затвором досягає часткою ома (0,5 ... 2,0 Ома), що дозволяє використовувати їх як замкнутого ключа з дуже малим власним опором каналу.
З іншого боку, якщо напруга на затворі зробити рівним пороговому) значенню (або більше його), то опір каналу транзистора збільшується, що відповідає розімкненим ключу з дуже малою провідність.
Таким чином, польовий транзистор можна використовувати як ключ, керований напругою на затворі. Такий ключ здатний пропускати досить великий струм (до 10 А і вище). Зменшити опір каналу можна паралельним включенням транзисторів із загальним керуючою напругою, ніж звичайно і користуються при створенні силових ключів.
Область насичення. В області насичення струм стоку польового транзистора визначається рівнянням
I з = k (U n - U зн) 2, (5.5)
з якого випливає його повна незалежність від напруги на стоці. Практично така залежність є, але в більшості випадків вона слабо виражена. З рівняння (5.5) можна знайти початковий струм стоку за умови, що Мзі = 0:
i c пог = kU 2 n (5.6)
Вираз (5.6) показує, що значення коефіцієнта k, введеного у формулі (5.1), можна встановити експериментально, вимірявши початковий струм стоку г'снач і порогове напруга (/ "(або напруга відсічення t / відступ), так як, _ is поч fc T \
k = i c пог / U 2 n (5.7)
Оскільки польові транзистори в області насичення використовуються в основному як підсилювальні прилади, то для оцінки їх підсилювальних властивостей знайдемо значення крутизни вольт-амперної характеристики:
S = | d ic / d ізн | = 2k (U n - U зн) (5.8)
З рівняння (5.8) випливає, що максимальне значення крутизна має при Мзі = 0. Зі збільшенням напруги на затворі крутизна зменшується і при
Um ^ ^ n стає рівною нулю. Використовуючи максимальне значення крутизни Sm ^ '2-kUn, рівняння (5.8) можна записати у вигляді
S = S max (1 - U зн / U n) (5.9)
Схему заміщення польового транзистора для області насичення можна представити у вигляді джерела струму стоку, керованого напругою на затворі t / зи. При цьому для великого сигналу потрібно користуватися рівнянням (5.5), а для малого сигналу, використовуючи (5.8), отримаємо
D i c = S D U зн (5.10)
де крутість S в обраній робочої точці можна вважати величиною постійною і не залежить від напруги на затворі. Схема заміщення польового транзистора наведена на рис. 5.7 я. У цій схемі ланцюг затвора представлена як розімкнена, оскільки струм затвора дуже малий і його можна не враховувати. Користуючись цією схемою заміщення, легко знайти посилення найпростішого підсилювального каскаду на польовому транзисторі, зображеного на рис. 5.7 б. Замінивши польовий транзистор його еквівалентною схемою, отримаємо схему заміщення підсилювального каскаду, наведену на рис. 5.7 в, для якої можна знайти напруга на навантаженні:
U n = - i c R n = - U зи SR n
U зн = U c
Звідки
K y = U n / U c = SR n
Рис 5.7. Найпростіша схема заміщення польового транзистора (а), схема підсилювача на польовому транзисторі (6), еквівалентна схема (в) і схема заміщення в ^-параметрах (г)
Якщо необхідно зробити розрахунок більш точним, то модель польового транзистора ускладнюють введенням інших параметрів, які враховують неідеальність транзистора. Уточнена схема заміщення пайової транзистора для малих сигналів наведена на рис. 5.7 р. Цією схемою заміщення відповідають рівняння, які називають рівняннями транзистора в ^-параметрах (параметрах провідності):
I з = y 11 U з + y 12 U 0
I c = y 21 U з + y 22 U c 5.11
Фізичний сенс параметрів, використовуваних в рівняннях (5.11), можна встановити, якщо скористатися режимами короткого замикання на вході і виході схеми заміщення. При короткому замиканні на виході (Uc = 0) знаходимо два параметри,
y 11 = i 3 / U 3 та y 22 = i c / U 3. (5.12)
Аналогічно при короткому замиканні на вході (uj = o) знаходимо два інших параметра
y 12 = i 3 / U 3 та y 22 = i c / U c (5.13)
З рівнянь (5.12) і (5.13) випливає, що ^ ц є провідністю витоку затвора польового транзистора, а у ^ - його вихідний провідністю, у ^ називається провідністю зворотної передачі і враховує вплив напруги на стоці на струм затвора, ay ^ = S - це крутість польового транзистора (або провідність прямої передачі). Зі схеми заміщення, наведеної на рис. 5.5 г, можна отримати просту схему заміщення, зображену на рис. 5.7 а, якщо покласти Уп = Уп = у-а = 0.
Відзначимо, що в довідниках по польових транзисторів звичайно приводяться не всі, а тільки деякі з розглянутих характеристик. Завжди наводиться значення крутизни S, замість вхідних провідності іноді наводяться струм витоку затвора і вхідна ємність, а замість провідності зворотної передачі в більшості випадків наводиться так звана прохідна ємність СЕС, тобто ємність з затвора на стік (або на канал). Для потужних польових транзисторів, що працюють у ключовому режимі, зазвичай наводиться значення опору відкритого каналу, максимальний струм стоку і граничне напруження на стоці.
Динамічні характеристики польових транзисторів. Динамічні характеристики польових транзисторів по-різному описують їх поведінку в ключовому і лінійному (усилительном) режимах роботи. У усилительном режимі транзистор зазвичай працює при малому рівні сигналу і, відповідно, розглядаються його малосигнальний схеми заміщення, за якими визначають частотні залежності струмів і напруг. У ключовому режимі більш істотними є часи включення і виключення транзистора, максимальна частота його комутації та спотворення фронтів імпульсів.
Якщо знехтувати невеликими об'ємними опорами контактів стоку і витоку, а також витоками з затвора на канал, то комплексні провідності схеми заміщення будуть мати значення
y 11 = y вх = j w (l ЗС + l зх), y 22 = y вих = g сн + j w l ЗС, y 12 = - j w l ЗС і y 21 = S - jl ЗС (5.14)
З виразу (5.14) випливає, що з підвищенням частоти зменшується вхідний опір 1 / у "польового транзистора та опір зворотного зв'язку зі стоку на затвор \ / уа. У результаті зростає ємнісний струм з затвора на канал і напруга на затворі зменшується. При цьому знижується посилення транзистора на високій частоті.
Слід, однак, відзначити, що багато з параметрів залежать від режиму роботи транзистора, тобто від постійних напруг на його електродах. Так, наприклад, крутість S залежить від напруги на затворі 1/еі (див. формулу 5.9). Для транзисторів з ^-п-переходом ємності затвора С, і і СЩ є бар'єрними і з збільшенням зворотної напруги на затворі зменшуються.
Перехідні процеси при ключовому режимі роботи розглянемо на прикладі процесів включення і виключення польового транзистора з індукованим каналом п-типу, користуючись схемою, зображеної на рис. 5.8 б. Для перемикання транзистора на його затвор подається прямокутний імпульс напруги t / .x, зображений на рис. 5.8 ст. При розгляді перехідних процесів використана спрощена модель транзистора, наведена на рис. 5.8 а.
При подачі прямокутного імпульсу від джерела t / "спочатку відбувається заряд ємності СЩ через опір джерела сигналу 7t" - До тих пір, поки напруга на ємності Сзд не досягне порогового напруги t / nop, струм стоку дорівнює нулю і напруга на стоці дорівнює напрузі джерела живлення Її.
Коли ємність Сем зарядиться до t / nop. транзистор деякий час перебуватиме в області насичення, а його коефіцієнт посилення, як показано раніше, буде мати значення Ky ^ SR ». У цьому випадку вхідні ємність транзистора різко збільшиться і буде дорівнює
З вх = C зи + (1 + k y) C ЗС (5.15)
Швидкість наростання напруги на затворі транзистора зменшується обернено пропорційно збільшенню ємності С ". У міру збільшення напруги на С "буде поступово наростати струм стоку і зменшуватись напруга на стоці. Таким чином, процес заряду ємності С "буде тривати до тих пір, поки напруга на стоці не зменшиться до значення, при якому транзистор виявиться в лінійній області і втратить підсилювальні властивості. При цьому вхідні ємність стане рівною СУЯ та швидкість її заряду різко збільшиться. У результаті в кінці процесу включення транзистора на затворі буде напруга Ј / o.
Слід зазначити, що в результаті процесу включення вихідний імпульс струму стоку затримується щодо надходження імпульсу управління на час / з «я.вкя> а його фронт розтягується на час /,". Аналогічний процес відбувається при виключенні транзистора: є час затримки вимкнення <з № ви «> час виключення /" ж, протягом якого спадає імпульс струму стоку, і час lye, встановлення вихідного стану.
Лекція 6. Силові напівпровідникові прилади
До силовим напівпровідниковим приладам ставляться керовані прилади, використовувані в різних силових пристроях: електроприводі, джерелах живлення, потужних перетворювальних установках та ін Для зниження втрат ці прилади в основному працюють у ключовому режимі. Основні вимоги, які пред'являються до силових приладів, зводяться до наступних:
• малі втрати при комутації;
• велика швидкість перемикання з одного стану в інший;
• мале споживання по ланцюгу управління;
• великий струм, що комутується та високу робочу напругу.
Силова електроніка безперервно розвивається і силові прилади безперервно вдосконалюються. Розроблено і випускаються прилади на струми до 1000 А і робоча напруга понад БКВ. Швидкодія силових приладів таке, що вони можуть працювати на частотах до 1 МГц. Значно знижена потужність управління силовими ключами.
Розроблено і випускаються потужні біполярні і уніполярні транзистори. Спеціально для цілей силової електроніки розроблені і випускаються потужні чотиришарові прилади - тиристори й симистора. До останніх досягнень силової електроніки відноситься розробка нових типів транзисторів: з статичною індукцією (ЗВТ та БСІТ) і біполярних транзисторів з ізольованим затвором (БТІЗ). Нові типи транзисторів можуть комутувати струми понад 500 А при напрузі до 2000В. На відміну від тиристорів ці прилади мають повне управління, висока швидкодія і мале споживання по ланцюгу управління. Тиристори діляться на дві групи: діодні тиристори (діністори) і тріод-ні (тиристори). Для комутації ланцюгів змінного струму розроблені спеціальні симетричні тиристори - симистора.
Діністори. Динистор називається двохелектродні прилад діодного типу, що має три ^ - «-переходу. Крайня область Р називається анодом, а інша крайня область N - катодом. Структура динистора наведена на рис. 6.1 а. Три ^-і-переходу динистора позначені як j), 7е і Уз.
Схему заміщення динистора можна представити у вигляді двох тріодних структур, з'єднаних між собою. При такому з'єднанні колекторний струм першого транзистора є струмом бази другого, а колекторний струм другого транзистора є струмом бази першого. Завдяки цьому внутрішньому з'єднанню всередині приладу є позитивний зворотний зв'язок.
Якщо на анод подано позитивне напруга по відношенню до катода, то переходи J \ і / е будуть зміщені в прямому напрямі, а перехід Ji - у зворотному, тому всі напруга джерела Е буде докладено до переходу Ji. Приймемо, що коефіцієнти передачі по струму емітера транзисторів П і 72 мають значення oti і о; відповідно. Користуючись схемою заміщення, наведеної на рис. 6.2 б, знайдемо струм через перехід Ji, який дорівнює сумі струмів колекторів обох транзисторів і струму витоку / до цього переходу:
Ij 2 = a 1 I j 1 + a 2 I a 2 + I ko (6.1)
Струм в зовнішньому ланцюзі дорівнює I, ^ = iл = J ln = I, тому після підстановки / в (4.1) знайдемо
I (1 - a 1 - a 2) = I ko, звідки одержимо значення зовнішнього струму
I = I ko / I - (a 1 + a 2) 6.2
Поки виконується умова (cti + ct2) <l струм у динисторе дорівнюватиме / ко-Якщо ж зробити (oti + ota) ^!, То діністор включається і починає проводити струм. Таким чином, отримано умова включення динистора.
Для збільшення коефіцієнтів передачі струму Cti або Од є два способи. За першим способом можна збільшувати напругу на динисторе. З ростом напруги t / = Ј /, ", один з транзисторів буде переходити в режим насичення.
Колекторні струм цього транзистора, протікаючи в ланцюзі бази другого транзистора, відкриє його, а останній, у свою чергу, збільшить струм бази першого. У результаті колекторні струми транзисторів будуть лавиноподібно наростати, поки обидва транзистора не перейдут.в режим насичення.
Після включення транзисторів діністор замкнеться і струм / буде обмежуватися тільки опором зовнішнього ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі менше 2В, що приблизно дорівнює падінню напруги на звичайному діоді.
Вимкнути діністор можна, знизивши струм в ньому до значення 7 викл або помінявши полярність напруги на аноді.
Тиристор. Другий спосіб включення чотиришаровій структури реалізований в тиристорі. Для цього в ньому є висновок від однієї з баз еквівалентних транзисторів Г] або Г;. Якщо подати в одну з цих баз струм управління, то коефіцієнт передачі відповідного транзистора збільшиться і відбудеться включення тиристора.
У залежності від розташування керуючого електрода (УЕ) тиристори діляться на тиристори з катодним управлінням і тиристори з анодним управлінням. Вона відрізняється від характеристики динистора тим, що напруга включення регулюється зміною струму в ланцюзі керуючого електрода. При збільшенні струму управління знижується напруга включення. Таким чином, ті-Рісторі еквівалентний діністор з керованим напругою живлення.
Після включення керуючий електрод втрачає управляючі властивості і, отже, з його допомогою вимкнути тиристор можна. Основні схеми виключення Тіріс-тора такі ж, як і для динистора.
Як діністори, так і тиристори схильні мимовільного включення при швидкій зміні напруги на аноді. Це явище отримало назву «ефекту dU / dt». Воно пов'язане із зарядом ємності переходу Сд при швидкій зміні напруги на аноді тиристора (або динистора): ici = CidU / dt. Навіть при невеликій напрузі на аноді тиристор може включитися при великій швидкості його зміни.
Умовне позначення діністоров і тиристорів містить інформацію про матеріал напівпровідника (буква К), позначенні типу приладу: (діністор - буква Н, тиристор - буква У), класі по потужності (1 - струм анода <0, ЗА, 2 - струм анода> 0 , ЗА) та порядковому номері розробки. Наприклад, діністор КН102-кремнієвий, малої потужності; тиристор КУ202 - кремнієвий, великої потужності.
До основних параметрів діністоров і тиристорів відносяться:
• допустимий зворотне напруга t / ogp;
• напруга у відкритому стані (/ "р при заданому прямому струмі;
• допустимий прямий струм / пр;
• часи включення <"ц, і виключення / викл-При включенні тиристора струмом управління після подачі імпульсу струму / у,, у керуючий електрод проходить деякий час, необхідний для включення тиристора. Криві миттєвих значень струмів і напруг у тиристорі при його включенні на резистивную навантаження наведено на рис. 6.7. Процес наростання струму в тиристорі починається через деякий час затримки <вд, яке залежить від амплітуди імпульсу струму управління / у, - При досить великому струмі управління, час затримки досягає часткою мікросекунди (від 0,1 до 1 ... 2мкс).
Потім відбувається наростання струму через прилад, який зазвичай називають часом лавинного наростання. Цей час істотно залежить від початкового прямого напруги 1 / "р" на тиристорі і прямого струму / "р через включений тиристор. Включення тиристора зазвичай здійснюється імпульсом струму управління. Для надійного включення тиристора необхідно, щоб параметри імпульсу струму управління: його амплітуда / у "тривалість <" у, швидкість наростання dly / dt відповідали певним тре-Рис. 6.7. Перехідні процеси при включенні гам, які забезпечують тиристора включення тиристора в заданих умовах. Тривалість імпульсу струму управління повинна бути такою, щоб до моменту його закінчення анодний струм тиристора був більше струму утримання 7, уд.
Якщо тиристор вимикається додатком зворотної напруги С / ОВР, то процес виключення можна розділити на дві стадії: час відновлення зворотного опору (обидва і час вимкнення 1. ^. Після закінчення часу відновлення <ов. Струм у тиристорі досягає нульового значення, однак він не витримує програми прямого напруги. Тільки через час t ™, до Тіріс-тору можна повторно прикладати пряму напругу С/про-
Втрати в тиристорі складаються з втрат при протіканні прямого струму, втрат при протіканні зворотного струму, комутаційних втрат і втрат в ланцюзі управління. Втрати при протіканні прямого і зворотного струмів розраховуються так само, як в діодах. Комутаційні втрати і втрати в ланцюзі управління залежать від способу включення і виключення тиристора.
Симистор - це симетрична тиристор, який призначений для комутації в ланцюгах змінного струму. Він може використовуватися для створення реверсивних випрямлячів або регуляторів змінного струму. Напівпровідникова структура симистора містить п'ять шарів напівпровідників з різним типом провідності і має більш складну конфігурацію у порівнянні з тиристором. Як випливає з вольт-амперної характеристики симистора, прилад включається в будь-якому напрямку при подачі на керуючий електрод УЕ позитивного імпульсу управління. Вимоги до імпульсу управління такі ж, як і для тиристора. Основні характеристики симистора і система його позначень такі ж, як і для тиристора. Симистор можна замінити двома зустрічно паралельно включеними тиристорами із загальним електродом управління. Так, наприклад, симистор КУ208Г може комутувати змінний струм до 10 А при напрузі до 400В. Отпирающий струм в ланцюзі керування не перевищує 0,2 А, а час включення - не більше Юмкс.
Фототиристори і фотосімістори - це тиристори й симистора з фотоелектронним управлінням, в яких керуючий електрод замінений інфрачервоним світло-діодом і фотоприймачем зі схемою управління. Основною перевагою таких приладів є гальванічна розв'язка ланцюга управління від силового ланцюга. В якості прикладу розглянемо пристрій фотосімістора, що випускається фірмою «Сіменс» під назвою Сітак.
Такий прилад споживає по входу управління світлодіодом струм близько 1,5 мА і комутує у вихідному ланцюзі змінний струм 0,3 А при напрузі до 600 В. Такі прилади знаходять широке застосування в якості ключів змінного струму з ізольованим управлінням. Вони також можуть використовуватися при управлінні більш потужними тиристорами або симистора, забезпечуючи при цьому гальванічну розв'язку ланцюгів управління. Мале споживання ланцюга управління дозволяє включати Сітак до виходу мікропроцесорів і мікро-ЕОМ.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ) виконані як поєднання вхідного униполярного (польового) транзистора з ізольованим затвором (ПТІЗ) і вихідного біполярного п-р-і-транзистора (БТ). Є багато різних способів створення таких приладів, однак найбільше поширення отримали прилади IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в яких вдало поєднуються особливості польових транзисторів з вертикальним каналом і додаткового біполярного транзистора.
При виготовленні польових транзисторів з ізольованим затвором, що мають вертикальний канал, утворюється паразитний біполярний транзистор, який не знаходив практичного застосування. Схематичне зображення такого транзистора наведено на рис. 6.12 а. На цій схемі VT - польовий транзистор з ізольованим затвором, П - паразитний біполярний транзистор, і, - послідовне опір каналу польового транзистора, R ^ - опір, шунтуючі перехід база-емітер біполярного транзистора П. Завдяки опору Ri біполярний транзистор замкнутий і не робить істотного впливу на роботу польового транзистора VT. Вихідні вольт-амперні характеристики ПТІЗ, наведені на рис. 6.12 б, характеризуються крутизною S і опором каналу Ri.
Структура транзистора IGBT аналогічна структурі ПТІЗ, але доповнена ще одним р-і-переходом, завдяки якому у схемі заміщення (рис. 6.12 в) з'являється ще один />-п-р-транзистор 72.
Новоутворена структура з двох транзисторів 71 і 72 має глибоку внутрішню позитивний зворотний зв'язок, тому що струм колектора транзистора 72 впливає на струм бази транзистора Т \, а струм колектора транзистора 71 визначає струм бази транзистора 72. Приймаючи, що коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів 71 і 72 мають значення cii і о; відповідно, знайдемо / к2 = / Е2 "2> • ^ 1 = ^ Е1" 2 і I, = I ^ + I ^ + Ic. З останнього рівняння можна визначити струм стоку польового транзистора
I c = I j (I - a 1 - a 2) (6.3)
Оскільки струм стоку / с ПТІЗ можна визначити через крутизну 5 і напруга U, на затворі Ic = SU, визначимо струм IGBT транзистора
I k = I j = SU j / I - (a 1 - a 2) = S j U j (6.4)
де 5Е = 57 [1 - (СС1 + а2)] - еквівалентна крутизна біполярного транзистора з ізольованим затвором.
Очевидно, що при ai + oc ^ l еквівалентна крутість значно перевищує крутизну ПТІЗ. Регулювати значення Oi і з ^ можна зміною опорів R ^ і ri при виготовленні транзистора. На рис. 6.12 г наведені вольт-амперні характеристики IGBT транзистора, які показують значне збільшення крутизни в порівнянні з ПТІЗ. Так, наприклад, для транзистора BUP 402 отримано значення крутизни 15 А / В.
Рис б 12 Схема заміщення ПТІЗ з вертикальним каналом (а) і його вольт-амперні характеристики (б), схема заміщення транзистора типу IGBT (в) і його вольт-амперні характеристики (г)
Іншою перевагою IGBT транзисторів є значне зниження послідовного опору і, отже, зниження падіння напруги на замкнутому ключі. Останнє пояснюється тим, що послідовне опір каналу J? Z шунтується двома насиченими транзисторами 71 і 72, включеними послідовно.
Область безпечної роботи БТІЗ подібна ПТІЗ, тобто в ній відсутня ділянка вторинного пробою, характерний для біполярних транзисторів. Оскільки в основу транзисторів типу IGBT покладені ПТІЗ з індукованим каналом, то напруга, що подається на затвор, повинно бути більше порогового напруги, яке має значення 5 ... 6В.
Швидкодія БТІЗ трохи нижче швидкодії польових транзисторів, але значно вище швидкодії біполярних транзисторів. Дослідження показали, що для більшості транзисторів типу IGBT часи включення і виключення не перевищують 0,5 ... 1,0 мкс.
Статичний індукційний транзистор (СІТ) представляє собою польовий транзистор з керуючим / »-п-переходом, який може працювати як при зворотному зміщенні затвора (режим польового транзистора), так і при прямому зміщенні затвора (режим біполярного транзистора). У результаті змішаного управління відкритий транзистор управляється струмом затвора, який в цьому випадку працює як база біполярного транзистора, а при запиранні транзистора на затвор подається зворотне замикаючий напругу. На відміну від біполярного транзистора зворотна напруга, що подається на затвор транзистора, може досягати 30 В, що значно прискорює процес розсмоктування неосновних носіїв, які з'являються в каналі при прямому зміщенні затвора.
В даний час є два різновиди ЗВТ транзисторів. Перший різновид транзисторів, званих просто ЗВТ, являє собою нормально відкритий прилад з керуючим / »-п-переходом. У такому приладі при нульовій напрузі на затворі ланцюг стік-витік знаходиться в проводяться стані. Переклад транзистора в непроводящее стан здійснюється за допомогою замикаючого напруги <7ц, негативної полярності, прикладається між затвором і витоком. Суттєвою особливістю такого ЗВТ транзистора є можливість значного зниження опору каналу Rca в проводяться стані пропусканням струму затвора при його прямому зміщенні.
Таблиця 6.1 Порівняльні характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів
ЗВТ транзистор, як і ПТІЗ, має велику ємність затвора, перезаряд якої потребує значних струмів управління. Перевагою ЗВТ в порівнянні з біполярними транзисторами є підвищену швидкодію. Час включення практично не залежить від режиму роботи і становить 20 ... 25 не при затримці не більше 50нс. Час вимкнення залежить від співвідношення струмів стоку і затвора.
Для зниження втрат у відкритому стані ЗВТ вводять в насичене стан подачею струму затвора. Тому на етапі виключення, так само як і в біполярному транзисторі, відбувається процес розсмоктування неосновних носіїв заряду, накопичених у відкритому стані. Це призводить до затримки виключення і може лежати в межах від 20нс до 5мкс.
Специфічною особливістю ЗВТ транзистора, що утруднює його застосування в якості ключа, є його нормально відкритий стан при відсутності керуючого сигналу. Для його замикання необхідно подати на затвор негативна напруга зсуву, яка повинна бути більше напруги відсічки.
Цього недоліку позбавлені БСІТ транзистори, в яких напруга відсічення технологічними прийомами зведено до нуля. Завдяки цьому БСІТ транзистори при відсутності напруги на затворі замкнені, так само як і біполярні транзистори, що і відображено в назві транзистора-біполярні ЗВТ транзистори.
Оскільки ЗВТ та БСІТ транзистори відносяться до розряду польових транзисторів з керуючим / »-і-переходом, їх схематичне зображення та умовні позначення такі ж. Таким чином, визначити ЗВТ транзистори можна тільки за номером розробки, що досить важко, якщо немає довідника.
Незважаючи на високі характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів, вони поступаються ПТІЗ за швидкодією і потужності керування. Типові вольт-амперні характеристики ЗВТ транзистора наведено на рис. 6.14. До достоїнств ЗВТ транзисторів слід віднести малий опір каналу у відкритому стані, що складає 0,1 ... 0,025 Ом.
Лекція 7. Граничні режими роботи транзисторів
Параметри граничних режимів. Гранично допустимі режими роботи транзисторів визначаються максимально допустимими напругами і струмами, максимальної розсіюваною потужністю і допустимою температурою корпусу приладу. Основними причинами, що викликають вихід транзистора з ладу або порушення нормальної роботи схеми в результаті зміни основних параметрів транзисторів, можуть бути: занадто висока зворотна напруга на одному з переходів і перегрів приладу при збільшенні струму через переходи.
У довідкових даних на транзистори звичайно обумовлюються граничні експлуатаційні параметри:
• максимально допустимий постійна напруга колектор-емітер і ^ умшс
АБО СТОК-ІСТОК Цж.махс;
• максимально допустимий імпульсна напруга колектор-емітер
^.«.. Макс АБО СТОК-ІСТОК Ј / ch. ». N.kc;
• постійний або імпульсний струми колектора / "." Акс і /. (. Інку і такі ж значення струму стоку польових транзисторів;
• постійний або імпульсний струми бази / б.макс І / б.і.макс;
• постійне або імпульсна напруга на затворі Уз. «Акс і (/ з.і.макс;
• постійна чи імпульсна розсіює потужність колектора Л.макс або Дс.і.нако або аналогічні потужності, що розсіюється стоками / 'с.макс і ^ с.я.мако
• гранична температура переходу Т,, ^ або корпусу приладу Г ».,^. Всі перераховані параметри граничних режимів обумовлені розвитком одного з видів пробою: по напрузі - лавинного, по струму - токового або теплового, по потужності - викликаного досягненням максимальної температури переходу.
До силовим напівпровідниковим приладам ставляться керовані прилади, використовувані в різних силових пристроях: електроприводі, джерелах живлення, потужних перетворювальних установках та ін Для зниження втрат ці прилади в основному працюють у ключовому режимі. Основні вимоги, які пред'являються до силових приладів, зводяться до наступних:
• малі втрати при комутації;
• велика швидкість перемикання з одного стану в інший;
• мале споживання по ланцюгу управління;
• великий струм, що комутується та високу робочу напругу.
Силова електроніка безперервно розвивається і силові прилади безперервно вдосконалюються. Розроблено і випускаються прилади на струми до 1000 А і робоча напруга понад БКВ. Швидкодія силових приладів таке, що вони можуть працювати на частотах до 1 МГц. Значно знижена потужність управління силовими ключами.
Розроблено і випускаються потужні біполярні і уніполярні транзистори. Спеціально для цілей силової електроніки розроблені і випускаються потужні чотиришарові прилади - тиристори й симистора. До останніх досягнень силової електроніки відноситься розробка нових типів транзисторів: з статичною індукцією (ЗВТ та БСІТ) і біполярних транзисторів з ізольованим затвором (БТІЗ). Нові типи транзисторів можуть комутувати струми понад 500 А при напрузі до 2000В. На відміну від тиристорів ці прилади мають повне управління, висока швидкодія і мале споживання по ланцюгу управління. Тиристори діляться на дві групи: діодні тиристори (діністори) і тріод-ні (тиристори). Для комутації ланцюгів змінного струму розроблені спеціальні симетричні тиристори - симистора.
Діністори. Динистор називається двохелектродні прилад діодного типу, що має три ^ - «-переходу. Крайня область Р називається анодом, а інша крайня область N - катодом. Структура динистора наведена на рис. 6.1 а. Три ^-і-переходу динистора позначені як j), 7е і Уз.
Схему заміщення динистора можна представити у вигляді двох тріодних структур, з'єднаних між собою. При такому з'єднанні колекторний струм першого транзистора є струмом бази другого, а колекторний струм другого транзистора є струмом бази першого. Завдяки цьому внутрішньому з'єднанню всередині приладу є позитивний зворотний зв'язок.
Якщо на анод подано позитивне напруга по відношенню до катода, то переходи J \ і / е будуть зміщені в прямому напрямі, а перехід Ji - у зворотному, тому всі напруга джерела Е буде докладено до переходу Ji. Приймемо, що коефіцієнти передачі по струму емітера транзисторів П і 72 мають значення oti і о; відповідно. Користуючись схемою заміщення, наведеної на рис. 6.2 б, знайдемо струм через перехід Ji, який дорівнює сумі струмів колекторів обох транзисторів і струму витоку / до цього переходу:
Ij 2 = a 1 I j 1 + a 2 I a 2 + I ko (6.1)
Струм в зовнішньому ланцюзі дорівнює I, ^ = iл = J ln = I, тому після підстановки / в (4.1) знайдемо
I (1 - a 1 - a 2) = I ko, звідки одержимо значення зовнішнього струму
I = I ko / I - (a 1 + a 2) 6.2
Поки виконується умова (cti + ct2) <l струм у динисторе дорівнюватиме / ко-Якщо ж зробити (oti + ota) ^!, То діністор включається і починає проводити струм. Таким чином, отримано умова включення динистора.
Для збільшення коефіцієнтів передачі струму Cti або Од є два способи. За першим способом можна збільшувати напругу на динисторе. З ростом напруги t / = Ј /, ", один з транзисторів буде переходити в режим насичення.
Колекторні струм цього транзистора, протікаючи в ланцюзі бази другого транзистора, відкриє його, а останній, у свою чергу, збільшить струм бази першого. У результаті колекторні струми транзисторів будуть лавиноподібно наростати, поки обидва транзистора не перейдут.в режим насичення.
Після включення транзисторів діністор замкнеться і струм / буде обмежуватися тільки опором зовнішнього ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі менше 2В, що приблизно дорівнює падінню напруги на звичайному діоді.
Вимкнути діністор можна, знизивши струм в ньому до значення 7 викл або помінявши полярність напруги на аноді.
Тиристор. Другий спосіб включення чотиришаровій структури реалізований в тиристорі. Для цього в ньому є висновок від однієї з баз еквівалентних транзисторів Г] або Г;. Якщо подати в одну з цих баз струм управління, то коефіцієнт передачі відповідного транзистора збільшиться і відбудеться включення тиристора.
У залежності від розташування керуючого електрода (УЕ) тиристори діляться на тиристори з катодним управлінням і тиристори з анодним управлінням. Вона відрізняється від характеристики динистора тим, що напруга включення регулюється зміною струму в ланцюзі керуючого електрода. При збільшенні струму управління знижується напруга включення. Таким чином, ті-Рісторі еквівалентний діністор з керованим напругою живлення.
Після включення керуючий електрод втрачає управляючі властивості і, отже, з його допомогою вимкнути тиристор можна. Основні схеми виключення Тіріс-тора такі ж, як і для динистора.
Як діністори, так і тиристори схильні мимовільного включення при швидкій зміні напруги на аноді. Це явище отримало назву «ефекту dU / dt». Воно пов'язане із зарядом ємності переходу Сд при швидкій зміні напруги на аноді тиристора (або динистора): ici = CidU / dt. Навіть при невеликій напрузі на аноді тиристор може включитися при великій швидкості його зміни.
Умовне позначення діністоров і тиристорів містить інформацію про матеріал напівпровідника (буква К), позначенні типу приладу: (діністор - буква Н, тиристор - буква У), класі по потужності (1 - струм анода <0, ЗА, 2 - струм анода> 0 , ЗА) та порядковому номері розробки. Наприклад, діністор КН102-кремнієвий, малої потужності; тиристор КУ202 - кремнієвий, великої потужності.
До основних параметрів діністоров і тиристорів відносяться:
• допустимий зворотне напруга t / ogp;
• напруга у відкритому стані (/ "р при заданому прямому струмі;
• допустимий прямий струм / пр;
• часи включення <"ц, і виключення / викл-При включенні тиристора струмом управління після подачі імпульсу струму / у,, у керуючий електрод проходить деякий час, необхідний для включення тиристора. Криві миттєвих значень струмів і напруг у тиристорі при його включенні на резистивную навантаження наведено на рис. 6.7. Процес наростання струму в тиристорі починається через деякий час затримки <вд, яке залежить від амплітуди імпульсу струму управління / у, - При досить великому струмі управління, час затримки досягає часткою мікросекунди (від 0,1 до 1 ... 2мкс).
Потім відбувається наростання струму через прилад, який зазвичай називають часом лавинного наростання. Цей час істотно залежить від початкового прямого напруги 1 / "р" на тиристорі і прямого струму / "р через включений тиристор. Включення тиристора зазвичай здійснюється імпульсом струму управління. Для надійного включення тиристора необхідно, щоб параметри імпульсу струму управління: його амплітуда / у "тривалість <" у, швидкість наростання dly / dt відповідали певним тре-Рис. 6.7. Перехідні процеси при включенні гам, які забезпечують тиристора включення тиристора в заданих умовах. Тривалість імпульсу струму управління повинна бути такою, щоб до моменту його закінчення анодний струм тиристора був більше струму утримання 7, уд.
Якщо тиристор вимикається додатком зворотної напруги С / ОВР, то процес виключення можна розділити на дві стадії: час відновлення зворотного опору (обидва і час вимкнення 1. ^. Після закінчення часу відновлення <ов. Струм у тиристорі досягає нульового значення, однак він не витримує програми прямого напруги. Тільки через час t ™, до Тіріс-тору можна повторно прикладати пряму напругу С/про-
Втрати в тиристорі складаються з втрат при протіканні прямого струму, втрат при протіканні зворотного струму, комутаційних втрат і втрат в ланцюзі управління. Втрати при протіканні прямого і зворотного струмів розраховуються так само, як в діодах. Комутаційні втрати і втрати в ланцюзі управління залежать від способу включення і виключення тиристора.
Симистор - це симетрична тиристор, який призначений для комутації в ланцюгах змінного струму. Він може використовуватися для створення реверсивних випрямлячів або регуляторів змінного струму. Напівпровідникова структура симистора містить п'ять шарів напівпровідників з різним типом провідності і має більш складну конфігурацію у порівнянні з тиристором. Як випливає з вольт-амперної характеристики симистора, прилад включається в будь-якому напрямку при подачі на керуючий електрод УЕ позитивного імпульсу управління. Вимоги до імпульсу управління такі ж, як і для тиристора. Основні характеристики симистора і система його позначень такі ж, як і для тиристора. Симистор можна замінити двома зустрічно паралельно включеними тиристорами із загальним електродом управління. Так, наприклад, симистор КУ208Г може комутувати змінний струм до 10 А при напрузі до 400В. Отпирающий струм в ланцюзі керування не перевищує 0,2 А, а час включення - не більше Юмкс.
Фототиристори і фотосімістори - це тиристори й симистора з фотоелектронним управлінням, в яких керуючий електрод замінений інфрачервоним світло-діодом і фотоприймачем зі схемою управління. Основною перевагою таких приладів є гальванічна розв'язка ланцюга управління від силового ланцюга. В якості прикладу розглянемо пристрій фотосімістора, що випускається фірмою «Сіменс» під назвою Сітак.
Такий прилад споживає по входу управління світлодіодом струм близько 1,5 мА і комутує у вихідному ланцюзі змінний струм 0,3 А при напрузі до 600 В. Такі прилади знаходять широке застосування в якості ключів змінного струму з ізольованим управлінням. Вони також можуть використовуватися при управлінні більш потужними тиристорами або симистора, забезпечуючи при цьому гальванічну розв'язку ланцюгів управління. Мале споживання ланцюга управління дозволяє включати Сітак до виходу мікропроцесорів і мікро-ЕОМ.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ) виконані як поєднання вхідного униполярного (польового) транзистора з ізольованим затвором (ПТІЗ) і вихідного біполярного п-р-і-транзистора (БТ). Є багато різних способів створення таких приладів, однак найбільше поширення отримали прилади IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в яких вдало поєднуються особливості польових транзисторів з вертикальним каналом і додаткового біполярного транзистора.
При виготовленні польових транзисторів з ізольованим затвором, що мають вертикальний канал, утворюється паразитний біполярний транзистор, який не знаходив практичного застосування. Схематичне зображення такого транзистора наведено на рис. 6.12 а. На цій схемі VT - польовий транзистор з ізольованим затвором, П - паразитний біполярний транзистор, і, - послідовне опір каналу польового транзистора, R ^ - опір, шунтуючі перехід база-емітер біполярного транзистора П. Завдяки опору Ri біполярний транзистор замкнутий і не робить істотного впливу на роботу польового транзистора VT. Вихідні вольт-амперні характеристики ПТІЗ, наведені на рис. 6.12 б, характеризуються крутизною S і опором каналу Ri.
Структура транзистора IGBT аналогічна структурі ПТІЗ, але доповнена ще одним р-і-переходом, завдяки якому у схемі заміщення (рис. 6.12 в) з'являється ще один />-п-р-транзистор 72.
Новоутворена структура з двох транзисторів 71 і 72 має глибоку внутрішню позитивний зворотний зв'язок, тому що струм колектора транзистора 72 впливає на струм бази транзистора Т \, а струм колектора транзистора 71 визначає струм бази транзистора 72. Приймаючи, що коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів 71 і 72 мають значення cii і о; відповідно, знайдемо / к2 = / Е2 "2> • ^ 1 = ^ Е1" 2 і I, = I ^ + I ^ + Ic. З останнього рівняння можна визначити струм стоку польового транзистора
I c = I j (I - a 1 - a 2) (6.3)
Оскільки струм стоку / с ПТІЗ можна визначити через крутизну 5 і напруга U, на затворі Ic = SU, визначимо струм IGBT транзистора
I k = I j = SU j / I - (a 1 - a 2) = S j U j (6.4)
де 5Е = 57 [1 - (СС1 + а2)] - еквівалентна крутизна біполярного транзистора з ізольованим затвором.
Очевидно, що при ai + oc ^ l еквівалентна крутість значно перевищує крутизну ПТІЗ. Регулювати значення Oi і з ^ можна зміною опорів R ^ і ri при виготовленні транзистора. На рис. 6.12 г наведені вольт-амперні характеристики IGBT транзистора, які показують значне збільшення крутизни в порівнянні з ПТІЗ. Так, наприклад, для транзистора BUP 402 отримано значення крутизни 15 А / В.
Рис б 12 Схема заміщення ПТІЗ з вертикальним каналом (а) і його вольт-амперні характеристики (б), схема заміщення транзистора типу IGBT (в) і його вольт-амперні характеристики (г)
Іншою перевагою IGBT транзисторів є значне зниження послідовного опору і, отже, зниження падіння напруги на замкнутому ключі. Останнє пояснюється тим, що послідовне опір каналу J? Z шунтується двома насиченими транзисторами 71 і 72, включеними послідовно.
Область безпечної роботи БТІЗ подібна ПТІЗ, тобто в ній відсутня ділянка вторинного пробою, характерний для біполярних транзисторів. Оскільки в основу транзисторів типу IGBT покладені ПТІЗ з індукованим каналом, то напруга, що подається на затвор, повинно бути більше порогового напруги, яке має значення 5 ... 6В.
Швидкодія БТІЗ трохи нижче швидкодії польових транзисторів, але значно вище швидкодії біполярних транзисторів. Дослідження показали, що для більшості транзисторів типу IGBT часи включення і виключення не перевищують 0,5 ... 1,0 мкс.
Статичний індукційний транзистор (СІТ) представляє собою польовий транзистор з керуючим / »-п-переходом, який може працювати як при зворотному зміщенні затвора (режим польового транзистора), так і при прямому зміщенні затвора (режим біполярного транзистора). У результаті змішаного управління відкритий транзистор управляється струмом затвора, який в цьому випадку працює як база біполярного транзистора, а при запиранні транзистора на затвор подається зворотне замикаючий напругу. На відміну від біполярного транзистора зворотна напруга, що подається на затвор транзистора, може досягати 30 В, що значно прискорює процес розсмоктування неосновних носіїв, які з'являються в каналі при прямому зміщенні затвора.
В даний час є два різновиди ЗВТ транзисторів. Перший різновид транзисторів, званих просто ЗВТ, являє собою нормально відкритий прилад з керуючим / »-п-переходом. У такому приладі при нульовій напрузі на затворі ланцюг стік-витік знаходиться в проводяться стані. Переклад транзистора в непроводящее стан здійснюється за допомогою замикаючого напруги <7ц, негативної полярності, прикладається між затвором і витоком. Суттєвою особливістю такого ЗВТ транзистора є можливість значного зниження опору каналу Rca в проводяться стані пропусканням струму затвора при його прямому зміщенні.
Таблиця 6.1 Порівняльні характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів
| Тип транзистора | Пристрій | Напруга, В | Струм стоку, А | Напруга відсічення, У | Час розсмоктування, ікс |
| КП926 | ЗВТ | 400 | 16 | -15 | <5 |
| КП955 | БСІТ | 450 | 25 | 0 | <1,5 |
| КП810 | . БСІТ | 1300 | 7 | 0 | <3 |
Для зниження втрат у відкритому стані ЗВТ вводять в насичене стан подачею струму затвора. Тому на етапі виключення, так само як і в біполярному транзисторі, відбувається процес розсмоктування неосновних носіїв заряду, накопичених у відкритому стані. Це призводить до затримки виключення і може лежати в межах від 20нс до 5мкс.
Специфічною особливістю ЗВТ транзистора, що утруднює його застосування в якості ключа, є його нормально відкритий стан при відсутності керуючого сигналу. Для його замикання необхідно подати на затвор негативна напруга зсуву, яка повинна бути більше напруги відсічки.
Цього недоліку позбавлені БСІТ транзистори, в яких напруга відсічення технологічними прийомами зведено до нуля. Завдяки цьому БСІТ транзистори при відсутності напруги на затворі замкнені, так само як і біполярні транзистори, що і відображено в назві транзистора-біполярні ЗВТ транзистори.
Оскільки ЗВТ та БСІТ транзистори відносяться до розряду польових транзисторів з керуючим / »-і-переходом, їх схематичне зображення та умовні позначення такі ж. Таким чином, визначити ЗВТ транзистори можна тільки за номером розробки, що досить важко, якщо немає довідника.
Незважаючи на високі характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів, вони поступаються ПТІЗ за швидкодією і потужності керування. Типові вольт-амперні характеристики ЗВТ транзистора наведено на рис. 6.14. До достоїнств ЗВТ транзисторів слід віднести малий опір каналу у відкритому стані, що складає 0,1 ... 0,025 Ом.
Лекція 7. Граничні режими роботи транзисторів
Параметри граничних режимів. Гранично допустимі режими роботи транзисторів визначаються максимально допустимими напругами і струмами, максимальної розсіюваною потужністю і допустимою температурою корпусу приладу. Основними причинами, що викликають вихід транзистора з ладу або порушення нормальної роботи схеми в результаті зміни основних параметрів транзисторів, можуть бути: занадто висока зворотна напруга на одному з переходів і перегрів приладу при збільшенні струму через переходи.
У довідкових даних на транзистори звичайно обумовлюються граничні експлуатаційні параметри:
• максимально допустимий постійна напруга колектор-емітер і ^ умшс
АБО СТОК-ІСТОК Цж.махс;
• максимально допустимий імпульсна напруга колектор-емітер
^.«.. Макс АБО СТОК-ІСТОК Ј / ch. ». N.kc;
• постійний або імпульсний струми колектора / "." Акс і /. (. Інку і такі ж значення струму стоку польових транзисторів;
• постійний або імпульсний струми бази / б.макс І / б.і.макс;
• постійне або імпульсна напруга на затворі Уз. «Акс і (/ з.і.макс;
• постійна чи імпульсна розсіює потужність колектора Л.макс або Дс.і.нако або аналогічні потужності, що розсіюється стоками / 'с.макс і ^ с.я.мако
• гранична температура переходу Т,, ^ або корпусу приладу Г ».,^. Всі перераховані параметри граничних режимів обумовлені розвитком одного з видів пробою: по напрузі - лавинного, по струму - токового або теплового, по потужності - викликаного досягненням максимальної температури переходу.