Транзисторы униполярные (полевые). Основные свойства и характеристики

В отличие от биполярных полевые транзисторы, обладая управляющими свойствами, являются униполярными полупроводниковыми приборами, т.е. протека­ние токов через них обусловлено дрейфом носителей заряда только одного типа в продольном электрическом поле через управляемые каналы р- или n -типа, обладающие соответственно дырочной или электронной проводимостью. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах), изменение напря­женности которого изменяет проводимость канала, по которому протекает ток выходной цепи транзистора. В электронных уст­ройствах применяют две разновидности полевых транзисторов: с управляющим р—n -переходом (затвором в виде р—n -перехода) и с изолированным затвором.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с затво­ром в виде р — n -перехода и с каналом n -типа, структура и схема включения которого приведены на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Структура (а) и схема (б) включения с общим истоком полевого транзистора с затвором в виде р — n -перехода и каналом n -типа

Прибор состоит из пластины монокристаллического крем­ния n -типа, представляющей собой канал полевого транзисто­ра, к двум противоположным граням которой припаяны два ме­таллических контакта, называемые истоком (И) и стоком (С). К этим электродам подключен внешний источник энергии с напряжением Е_с, соединенный последовательно с нагрузкой R_H (рис. 7.1, б). Источник подключен таким образом, чтобы по­ток основных носителей заряда (электронов) перемещался от истока к стеку. В две другие противоположные грани пластины внесены акцепторные примеси, превращающие поверхностные слои пластины в области р-типа. Общий внешний вывод этих слоев называют затвором (3).При этом между каналом и затво­ром образуются два р—n -перехода.

Проводимость канала определяется его сечением, изменение площади которого можно осуществлять посредством напряже­ния на затворе , смещающего переходы в обратном направле­нии. При этом можно расширять или сужать обедненные слои переходов и тем самым регулировать сопротивление канала и ве­личину протекающего через него тока. Поскольку концентрация примесей в затворе намного больше, чем в канале, расширение обедненных слоев происходит в основном за счет канала. При протекающий через канал ток стока имеет максималь­ное значение (ток стока насыщения ), так как при этом площадь сечения канала максимальна. При увеличении обедненные слои р — n -переходов расширяются, уменьшая пло­щадь сечения каналов и тем самым значение тока . При опре­деленном напряжении (напряжение отсечки) площадь се­чения канала уменьшается практически до нуля и

Входные (стокозатворные) и выходные (стоковые) характери­стики полевого транзистора представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Характеристики полевого транзистора: а — входные; б — выходные

Входная характеристика полевого транзистора определяет управляющие свойства затвора и описывается соот­ношением

При этом управление осуществляется приложением к затвору обратного напряжения, под действием которого протекает лишь незначительный, обратный ток.

Рассмотрим семейство выходных характеристик полевого транзистора (рис. 7.2, б). При и увеличении приложенного к стоку положительного относитель­но истока напряжения ток возрастает по нелинейному закону. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения , сме­щающего p-n -переходы в обратном направлении, площадь се­чения канала уменьшается тем больше, чем ближе к стоку, по­скольку падение напряжения в канале за счет тока стока растет от до на стоке. При этом сопротивление канала увеличивается, а рост тока замедляется. При достижении напря­жения на стоке величины напряжения насыщения _нас происходит полное перекрытие обедненными слоями канала на стоке, а площадь сечения канала у истока остается первоначаль­ной, так как . Дальнейшее увеличение напряжения вызывает незначительный рост тока стока, так как одновре­менно уменьшается проводимость канала (полное перекрытие канала расширяется вглубь к истоку), и ток стока достигает зна­чения тока насыщения . Режим, соответствующий пологому участку вольт-амперной характеристики, называют режимом на­сыщения.

При уменьшении расширение обедненных слоев и уменьшение площади сечения канала проис­ходит под совместным воздействием напряжений и В этом случае напряжение насыщения уменьшается и его вели­чина при любом напряжении на затворе может быть найдена из соотношения

Соответствующая этому соотношению штриховая линия на рис. 7.2, б показывает изменение стокового напряжения. С уменьшением напряжения U_{си нас}уменьшается и ток стока насыщения I_Снас. Рабочая область выходных характеристик располагается на их пологих участках. При значительных напряжениях на стоке происходит пробой структуры, что обусловливает ограничение выходных характеристик по напряжению величиной .

Полевые транзисторы характеризуются допустимой мощностью рассеяния , допустимыми значениями постоянного тока стока и напряжений между электродами , _и ^.

В последнее время стали широко использоваться полевые транзисторы с изолированным затвором, имеющие лучшие электрические свойства. У таких транзисторов между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика, поэтому такая структуpa получила название МДП-транзистор (металл-диэлектрик-полупроводник). Так как в качестве диэлектрика обычно используют двуокись кремния, то транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник получили название МОП-транзисторов.

Полевые МДП-транзисторы используют в преобразователях электроэнергии с коммутируемыми токами до 100 А при напряжениях до 500 В. Эти транзисторы управляются напряжением, прикладываемым к изолированному затвору, причем в диапазо­не относительно невысоких частот коммутаций мощность управ­ления очень мала из-за высокого входного сопротивления тран­зистора. МДП-транзистор имеет высокое быстродействие, его время выключения составляет несколько наносекунд.

Новый полупроводниковый JGBT -транзистор — это биполяр­ный транзистор с изолированным затвором, сочетающий в себе достоинства биполярных и МДП-транзисторов и способный ком­мутировать токи до 2500 А при высоком быстродействии (доли микросекунды), малой мощности управления и напряжениях до 4500 В. Его структура похожа на тиристорную(их мы рассмотрим позже), но имеет свойства транзистора. Ток управления задается МДП-транзистором, управляемым напряжением, а вся полупро­водниковая структура выполнена в одном монокристалле.

71. Тиристоры. Основные свойства и характеристики.

Тиристором в общем случае называют полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три p-n -пе­рехода и более, который может быть переключен из непроводя­щего состояния в проводящее, и наоборот. Линия ВАХ тиристо­ра, соответствующая проводящему состоянию (прямая ветвь), характеризуется отрицательным дифференциальным сопротив­лением.

По количеству внешних выводов различают двухэлектродные (динисторы) и трехэлектродные (тринисторы) тиристоры, но в любом случае они имеют четырехслойную структуру полупро­водника с тремя p-n -переходами (рис. 7.14, а).

Рис. 7.3. Структура (а), графическое обозначение и вольт-амперная характеристика тиристора (б)

Внешние выводы, связанные с крайними р1 и п2 слоями, на­зывают соответственно анодом (А) и катодом (К), а третий внешний вывод от слоя р2 — управляющим электродом (УЭ). Крайние слои и переходы П1 и ПЗ называют также эмиттерными, а средние п1- и р 2-слои — базовыми. Четырехслойная струк­тура тиристора может быть условно представлена в виде комби­нации в одном приборе двух транзисторов: р1-п1-р2 и п1-р2-п2, причем переход П2 является коллекторным для обоих транзи­сторов.

Если ток в цепи управляющего электрода равен нулю, а приложенное между анодом и катодом напряжение с указан­ной на рис. 7.3, а полярностью меньше напряжения (рис. 7.14, б), то переходы Ш и ПЗ смещены в прямом направ­лении, а переход П2 — в обратном (при отсутствии внешнего напряжения в этих переходах возникают потенциальные барь­еры, как у диодов). При положительном смещении переходов П1 и ПЗ их потенциальные барьеры уменьшаются и дырки мо­гут инжектировать из эмиттера р1 в базу п1, а электроны — из эмиттера п2 в базу р2. Падения напряжения на смещенных в прямом направлении переходах от действия внешнего источ­ника невелики, а практически все напряжение внешнего ис­точника приложено к смещенному в обратном направлении переходу П2. Протекающий через тиристор ток определяется токами инжекции эмитттерных переходов, токами рекомбина­ции неосновных носителей заряда в базах, а также эффектом лавинного размножения носителей заряда в смещенном в об­ратном направлении переходе П2. Значение этого тока несколько возрастает с увеличением напряжения внешнего источника.

При дальнейшем увеличении напряжения внешнего источни­ка увеличивается смещение переходов П1 и ПЗ в прямом на­правлении, и ток через тиристор продолжает расти. Уменьшение потенциального барьера перехода ПЗ приводит к инжекции электронов из эмиттера п2 в базу р2. Часть этих электронов, не рекомбинируя, достигает смещенного в обратном направлении перехода П2 и перебрасывается его полем в базу п1, увеличивая в ней концентрацию электронов. Это снижает потенциальный барьер перехода П1, вследствие чего увеличивается инжекция дырок из эмиттера р 1 в базу п 1. Продиффузировав через базу п 1, основная часть дырок достигает перехода П2 и перебрасывается его полем в базу р2. При этом концентрация дырок в базе р2, где они являются основными носителями заряда, увеличивает­ся. Это приводит к уменьшению потенциального барьера пере­хода ПЗ и увеличению инжекции электронов из эмиттера п2 в базу р2 и т. д. В структуре развивается лавинообразный процесс увеличения тока (участок Оа на рис. 7.3, б), что аналогично на­личию положительной обратной связи по току в системах автоматического управления.

При эта связь вызывает лавинообразный процесс инжекции основных носителей из эмиттеров в базы. Резкое увеличение концентраций электронов в базе п1 и дырок в базе р2 приводит к быстрому уменьшению (практически до нуля) потенциального барьера смещенного в обратном направлении перехода П2 и к уменьшению падения напряжения на всей структуре (см. рис. 7.3, а) и структура переходит в проводящее состояние.

Таким образом, линия ВАХ тиристора, соответствующая про­водящему состоянию, имеет участок отрицательного сопротив­ления — участок ab на рис. 7.3, б. На этом участ­ке рост тока происходит при уменьшении падения напряжения на приборе. В результате проходящий через прибор ток установится . Рабочим участком прямой ветви ВАХ является участок be, на котором все переходы смещены в пря­мом направлении, а падение напряжения на проводящем тири­сторе лишь несколько больше падения напряжения на проводя­щем диоде.

Для выключения тиристора необходимо уменьшить значение прямого тока до величины, меньшей или равной значению то­ка удержания (точка d на рис. 7.3, б) или приложить к тири­стору напряжение обратной полярности.

При изменении полярности напряжения внешнего источника переходы П1 и ПЗ смещаются в обратном направлении, а пере­ход П2 остается смещенным в прямом направлении. Линия ВАХ тиристора, соответствующая непроводящему состоянию (обрат­ная ветвь), имеет такой же вид, как ВАХ диода, смещенного в обратном направлении (участок Qe на рис. 7.3, б).

Рассмотренный режим работы является динисторным, по­скольку в нем не используется управляющий электрод, а прибор при положительном анодном напряжении работает как неуправ­ляемый переключатель.

Напряжение переключения можно регулировать, если, например, в базу р2 ввести от внешнего источника дополни­тельное количество носителей заряда за счет тока управления (тринисторный режим).

Регулируя величину , можно изменять уровень , при ко­тором возникает лавинообразный процесс размножения носите­лей заряда.

Наличие участка с отрицательным сопротивлением на ВАХ тиристора придает ему ряд важных достоинств. Чтобы переклю­чить тиристор из закрытого состояния в открытое, достаточно пропустить через управляющий электрод относительно корот­кий (менее 100 мкс) импульс тока управления, после чего откры­тое состояние прибора поддерживается за счет действия внут­ренней положительной обратной связи. Поэтому тиристоры об­ладают очень высоким коэффициентом усиления мощности (до сотен тысяч).

В настоящее время отечественная промышленность серий­но выпускает тиристоры на токи от 1...3 кА и напряжения до 5 кВ. При этом токи управления составляют в импульсе от од­ного до нескольких ампер.

Особенностью рассмотренного тиристора является то обстоя­тельство, что для его перевода из проводящего состояния в не­проводящее необходимо каким-то образом уменьшить ток тири­стора до значения тока удержания или приложить к прибору на­пряжение обратной полярности. Таким образом, тиристор явля­ется не полностью управляемым ключевым элементом, т.е. его можно включить по цепи управляющего электрода, а для выклю­чения (и в первую очередь, в цепях постоянного тока) необходи­мо использовать дополнительные устройства, так называемые узлы принудительной коммутации.

В то же время в последнее десятилетие разработаны тиристо­ры, которые можно и включать и выключать по цепи управля­ющего электрода,— запираемые (GТО) тиристоры.

В отличие от обычного тиристора структура запираемого ти­ристора имеет высокую проводимость зоны управляющего электрода, что позволяет более эффективно блокировать протекание прямого тока через прибор по подаче на его управляющий элек­трод отрицательного относительно катода управляющего им­пульса. Кроме того, применение более совершенных технологий дало возможность обеспечить однородность электрических уст­ройств отдельных слоев структуры и управлять временем жизни носителей заряда в процессе изготовления прибора.

Для включения и выключения запираемого тиристора ис­пользуют два отдельных источника, при этом устройство управ­ления тиристором должно обеспечивать мощные импульсы включающих и выключающих токов управления, значительную продолжительность включающего тока управления при малых анодных токах и необходимую продолжительность отрицательного импульса выключающего напряжения.

Для обеспечения допустимых режимов при включении запи­раемого тиристора в преобразователях электроэнергии его до­полняют специальными устройствами (снабберами). Современные запираемые тиристоры рассчитаны на напряжение до 6 кВ и ток до 3 кА. Запирающий ток управления находится, как прави­ло, на уровне 0,2...0,3 от выключаемого анодного тока.