Чудесный транзистор — комбинация МОП-транзистора с биполярным

June 10, 2010 by admin Комментировать »

Для создателей мощных полупроводниковых приборов было вполне ес­тественно размышлять о том, насколько будет хорошо, если лучшие па­раметры различных устройств, так или иначе, объединить в одном уст­ройстве. Ничто не мешает пофантазировать об устройстве, которое легко запускается, может работать при больших токах и высоких напря­жениях, способно переключаться с частотами порядка мегагерца, имеет очень низкое тепловое сопротивление для эффективного отвода тепла и т.д. Действительно, имелись практические решения, которые до некото­рой степени, объединили свойства различных устройств. Одним из при­меров являются операционные усилители с полевыми транзисторами на входе и биполярными на выходе; первоначально это были гибридные схемы, но со временем стали выпускаться как интегральные схемы. Цель, которая была успешно достигнута, состояла в том, чтобы создать дешевый усилитель с высоким входным сопротивлением, низким выход­ным сопротивлением и с хорошими остальными характеристиками.

Что касается мощных устройств, то имелась IGBT (Биполярный-МОП-транзистор) схема, показанная на рис. 19.10, которая снова содер­жит МОП-транзистор на входе и биполярный на выходе. Однако здесь комбинированная схема сделана с помощью дискретных элементов, ма­ломощный МОП-транзистор во входном каскаде и мощный биполярный транзистор в качестве выходного. Используется каскодное соединение, при котором биполярный транзистор работает с общей базой. Оказыва­ется, что схема с общей базой кроме более высокой верхней частоты по сравнению со схемой с общим эмиттером, может работать при более вы­соких напряжениях. Однако схемой на биполярном транзисторе с общей базой чрезвычайно трудно управлять, потому что она имеет очень низ­кое входное сопротивление. Здесь тот случай, когда входной каскад на МОП-транзисторе спасает положение. Конечным результатом является легко управляемый, высоковольтный и высокочастотный переключатель, работающий с большими токами. Мощный высоковольтный МОП-тран­зистор, который заменяется ЮВТ-транзистором, имел бы большие по­тери в проводящем состоянии и вероятно стоил бы дороже.

clip_image002

Рис. 19.10. IGBT – комбинация полевого и биполярного транзисторов с целью улучшения характеристик. Входное сопротивление, рабочее напряжение и частота переключения выше, чем при использовании одного биполярного транзистора. Падение напряжения в открытом состоянии и стоимость более низкие чем, вероятно, были бы при применении одного мощного МОП-транзистора. International Rectifier Corp.

Кроме того, существует другое — параллельное соединение биполяр­ного транзистора с МОП-транзистором, показанное на рис. 19.11. При со­ответствующей синхронизации сигналов включения и выключения, пода­ваемых на затвор и базу этих двух устройств, можно приблизиться к скорости переключения МОП-транзистора с низкими потерями биполяр­ного транзистора в открытом состоянии. Тем не менее, практически реа­лизовать эту интригующую воображение схему не просто. Например, при попытке использовать такую комбинацию в качестве ком­мутатора в схеме стабилизатора с ШИМ, временные параметры тактовых импульсов схемы управления должны быть очень строго выдержаны.

clip_image004

Рис. 19.11. Экспериментальная комбинация полевого и биполярного транзисторов с целью использования достоинств каждого из них. При соответствующей синхронизации и продолжительности входных импульсов эта схема может обеспечить скорость включения и выключения полевого транзистора при малых потерях биполярного транзис-тора.

Предыдущие абзацы позволяют предвидеть наличие некоторого мощ­ного прибора, обладающего, по крайней мере, некоторыми из призна­ков полевой и биполярной технологий. Это действительно реализовано в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). По на­званию можно догадаться, что это мощное устройство с входными ха­рактеристиками как у МОП-транзистора и выходным характеристикам как у биполярного транзистора. Учитывая, что все это выполнено в од­ном кристалле, достигнутый результат можно расценивать как выдаю­щийся прорыв в области силовой полупроводниковой техники.

Удивительно, но структура IGBT-транзистора не радикально отлича­ется от структуры обычного мощного МОП-транзистора. Эта утвержде­ние подразумевает, что IGBT-транзистор лучше описывать как видоиз­мененный МОП-транзистор, а не как модифицированный биполярный транзистор. Модификация, как можно увидеть на рис. 19Л2А и 19.12В, состоит в изменении профиля легирования, осуществляемого в области стока. Столь незначительная деталь, как это может показаться, очень сильно влияет на выходные характеристики устройства. Поскольку об­разующийся /;я-переход вводит неосновные носители, новое устройство уже не совсем МОП-транзистор с наличием только основных носителей.

каким оно было до изменения легирования. Наиболее характерные осо­бенности IGBT-транзистора следующие:

— вход остается емкостным, как и у исходного МОП-транзистора.

— выходное напряжение в режиме насыщения V^^^^^^ мало, как у би­полярного транзистора. Это справедливо даже при высоких напряжени­ях, когда обыкновенные мощные МОП-транзисторы дают высокое паде­ние напряжения между стоком и истоком. При включенном состоянии IGBT-транзистора мощность, рассеиваемая на нем мала.

— присутствие неосновных носителей значительно увеличивают плотность тока в области стока. Поэтому, при том же самом размере кристалла IGBT-транзистор имеет большие номинальные токи, чем МОП-транзистор. Из этого следует также, что крутизна у IGBT-транзи­стора выше, чем у МОП-транзистора.

clip_image006

Рис. 19.12. Эволюция от обычного мощного МОП-транзистора к IGBT-транзистору. Изменение профиля легирования в области стока приводит к появлению нового устройства. (А) Исходный профиль легирования мощного МОП-транзистора. (В) Профиль легирования IGBT-транзистора демонстрирующий инжекцию неосновных носи­телей, которые имитируют поведение биполярных приборов.

— выход IGBT-транзистора напоминает /?л-переход диода, смещен­ный в прямом направлении и это дает смещение 0.7 В в его стоковых характеристиках. В этом отношении IGBT-транзистор отличается от би­полярного транзистора. Поскольку IGBT-транзистор является высоко­вольтным устройством, эта разница совсем не существенная.

— К сожалению, кроме положительных свойств имеется недостаток, вызванный введением неосновных носителей в области стока. IGBT-транзистор уже не имеет частотных свойств обычного МОП-транзисто­ра. Работа лучших IGBT-транзисторов ограничена частотой переключе­ния около 5 кГц. Однако были созданы компромиссные варианты с рабочей частотой 50 кГц, которые все еще сохраняют достоинства МОП-транзисторов и биполярных транзисторов при этих частотах пере­ключения.

И обозначение IGBT-транзистора, и название его выводов были предметом дискуссии в технической литературе. При рассмотрении это­го устройства мы имели дело с затвором, истоком и стоком. Это имело свою логику, потому что IGBT-транзистор берет свое происхождение от МОП-транзистора. С другой стороны естественно, что полупроводнико­вые фирмы подчеркивают подобие выходных характеристик биполярно­го транзистора и IGBT-транзистора. Соответственно, многие из этих компаний называли выводы своих изделий базой, эмиттером и коллекто­ром. Действительно, кажется разумным ради простоты считать его име­ющим входные характеристики МОП-транзистора, с выходными харак­теристиками, соответствующими биполярному транзистору. Будьте готовы, однако, столкнуться с различными комбинациями затвора, базы, истока, эмиттера, стока и коллектора. Надо иметь в виду, также, что имеется другое название для IGBT-транзистора «мощный полевой транзистор с модулируемой проводимостью» (название подарено «пова­рами» полупроводниковых устройств, а не разработчиками схем).

Подобно названиям выводов, имелось большое разнообразие услов­ных изображений IGBT-транзистора. В некоторых случаях использова­лись условные обозначения или МОП-транзисторов или биполярных транзисторов. И, как Вы можете догадаться, были предложены различ­ные гибридные изображения, учитывающие символику полевого транзи­стора и биполярного транзистора. Изображение, которое вероятно ста­нет стандартным, показано на рис. 19.13 вместе с названиями электродов. Появились также стилизованные и упрощенные варианты этого обозначения, но они остаются на уровне идей. Внутренний диод, шунтирующий выходную цепь мощного МОП-транзистора, не проявля­ет себя в IGBT-транзисторе, и поэтому не присутствует в принятом изображении, как это иногда бывает с МОП-транзистором (в приложе­ниях, где необходим фиксирующий диод или диод для других целей, сле­дует использовать внешний диод).

Выходные характеристики IGBT-транзистора показаны на рис. 19.14. Обратите внимание на смещение, равное 0,7 В. Напряжение обратного пробоя этих устройств может значительно изменяться и, если это имеет значение для работы схемы, должно быть тщательно исследовано. Каче­ственный вид кривых на рис. 19.14 не отражает наиболее важную осо­бенность IGBT-транзистора – его эквивалентное сопротивление час­то на порядок меньше, чем R^ аналогичного по номинальной мощности МОП-транзистора. Имейте в виду, также, что это устройство имеет вы­сокие рабочие напряжения (500 В и выше) и ток (от 15 до 80 А). На рис. 19.15 и 19.16 (Рис. 19.16 не приведен, поскольку в оригинале он полнос­тью повторяет Рис. 19.15 – Прим, перев,) приведены размеры двух IGBT-транзисторов одного изготовителя, предназначенных для работы с боль­шими токами при частотах переключения 5 кГц и 50 кГц. Типичные напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения составляют 1,6 В и 2,2 В соответственно. Эти значения даны для температуры 25"С, но при повышении температуры до 150’С они изменяются не сильно (и без того высокое значения R^ мощного высоковольтного МОП-транзистора удваивается при изменении температуры от 25’С до 150’С).

clip_image008

Рис. 19.13. Условное обозначение IGBT-транзистора и его выводов. Это изображение IGBT-транзистора, вероятно, станет стандартом. Обратите внимание, как передано представление относительно МОП-транзистора на входе и биполярного транзистора на выходе. Диод в области коллектора, смещенный в прямом направлении, явно показан.

clip_image010

Рис. 19.14. Выходные характеристики IGBT-транзистора. Эти устрой­ства работают с напряжениями 500 В и выше. Поэтому в практичес­ких схемах смещение 0,7 В сказывается слабо.

clip_image012

Рис. 19.15. Типичный IGBT-транзистор с частотой переключения 5 кГц. Первые IGBT-транзисторы страдали от эффекта защелкивания. Отметьте высокое рабочее напряжение, большой ток и малые размеры транзистора. International Rectifier Corp.

Разработчики схем, которым от транзисторов требуются дополнитель­ные функции, могут воспользоваться, по крайней мере, двумя имеющи­мися в настоящее время модификациями IGBT-транзистора. Примеры та­ких приборов приведены на рис. 19.17. На рис. 19.17А показан транзистор, который напоминает обычный мощный МОП-транзистор с внутренним диодом. Однако в обычном IGBT-транзисторе между коллектором и эмиттером (или между стоком и истоком) такого диода фактически нет. В тех случаях, когда разработчикам схем в этом месте необходим диод в ка­честве фиксирующего диода, диода обратного тока или как демпфер пере­ходных процессов, это является недостатком. Для таких целей создан ва­риант IGBT-транзистора с отдельным диодом. Мало того, что это дает дополнительные удобства, этот диод намного быстрее чем внутренний диод, который появляется в мощных МОП-транзисторах.

Другой вариант IGBT-транзистора изображен на рис. 19.17В. Здесь имеется контрольный вывод(ы), через который течет ток, пропорцио­нальный полному току коллектора. Этот вывод используется в стабили­зированных источниках со стабилизацией по току. Способ реализации обратной связи по току тот же самый, какой был ранее описан для SENSEFET-транзистора ~ мощного МОП-транзистора с таким же элек­тродом для считывания небольшой доли изменяющегося тока истока.

clip_image014

Сток

Рис. 19.17. Варианты ЮВТ-транзисторов. (А) IGBT-транзистор, имеющий внутренний диод с малым временем восстановления. (В) IGBT-транзистор с «контрольным» электродом в качестве датчика тока. Подобен SENSEFET-транзистору. International Rectifier Corp.

Фирма Harris Semiconductor создала ряд таких ЮВТ-транзисторов, работающих с напряжениями 400 В и 500 В и действующими значениями тока в диапазоне от 10 А до 25 А (при импульсном режиме работы допус­тимы более высокие токи). Экспериментатор может достичь очень мно­гого с этими транзисторами, рассчитанными для работы до 5 кГц. Более высокочастотные версии последуют почти наверняка, поскольку быстро­действие повышается не за счет каких-либо существенных изменений.

На момент написания книги усилия были сосредоточены на разра­ботке семейства мощных п-каншгъных IGBT-транзисторов. Не ясно, бу­дут ли появляться на рынке варианты />-кана[1ьных IGBT-транзисторов. В />-канальных приборах возникают проблемы из-за более низкой под­вижности носителей заряда. Однако подобный пессимизм в свое время замедлил развитие мощных />л/>-транзисторов и МОП-транзисторов с р-канагюм. Возможно, что задачи связанные с быстродействием, потерями в открытом состоянии, защелкиванием и стоимостью будут решены, и однажды IGBT-транзисторы с р-кшалом станут легко доступными.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты