Сколько выводов имеет классический силовой мдп транзистор

13.6.2. Мдп-транзисторы

МДП-транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого вида затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. Структура такого полевого транзистора ранее была уже указана – это металл-диэлектрик – полупроводник (МДП). Их изготавливают на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка окисла кремния SiO₂. Получается структура металл-окисел-полупроводник, называемая МОП- транзистором.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом, созданным при изготовлении, и с индукционным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p-типа и n-типа (рис. 180, П — с выводом от подложки).

Рис. 180

Схема включения МДП-транзистора с каналом n-типа представлена на рис. 181.

Работа МДП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника, — канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе.

В МДП-транзисторе с индукционным каналом при U_зи = 0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказываются встречно включенными два p-n перехода, поэтому ток I_С в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (U_зи >0), то возникающее при этом электрическое поле будет отталкивать дырки в глубь p-полупроводника. При некотором пороговом напряжении между стоком и истоком накапливается достаточный слой электронов – создается проводящий канал. Толщина этого канала, равная 1-2 нм, практически не меняется при изменении напряжения U_зи. Сопротивление канала зависит только от концентрации электронов в нем, поэтому, изменяя U_зи, можно менять ток такого МДП-транзистора.

 входная емкость С_зи , проходная емкость С_зс, выходная емкость С_си.

 напряжение отсечки U_{зи отс} – обратное напряжение на затворе, при котором

токопроводящий канал окажется перекрытым.

 входное сопротивление R_вх между затвором и истоком.

Важнейшей особенностями полевых транзисторов являются их очень высокие входное сопротивление (до 10 15 Ом) и граничная частота (до 1ГГц). С конструктивной точки зрения полевые транзисторы, особенно МДП-транзисторы, являются весьма прогрессивными активными элементами.

1.7. Транзисторы типа igbt

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.182, а приведено условное обозначение IGBT.

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 182, б. Прибор вводится в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер ) и C (коллектор ), а в цепь управления — выводом G (затвор ).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними (рис. 182, б). Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n — канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

Современные IGBT-модули (т.е. в одном корпусе расположено несколько транзисторов) находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники.

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер конструктивно компактна.

Характеристики IGBT позволяют широко применять их в инверторах с рабочими напряжениями от 600 до 1200 В и токами до 40 А.

В последнее время некоторые иностранные фирмы начали выпускать гибридные модули на основе IGBT на напряжения 600 В и 1200 В с токами от 8 до 20 А, а при параллельном включении IGBT  на токи 800 и 1200 А. Модуль содержит сборку трехфазного моста из IGBT и обратных диодов, гасящими высокочастотные автоколебания.

1.4.2. Мдп — транзисторы.

В отличии от полевых транзисторов с p-n переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью проводящего канала, в МДП- транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. Поэтому МДП — транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором.

МДП транзисторы (металл- диэлектрик- полупроводник) выполняют из кремния. Как диэлектрик используют окисел кремния SiO2. Отсюда другое название МОП — транзисторы (металл- окисел- полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление транзистора Ом.

Принцип действия МДП — транзистора основан на эффекте изменении проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом транзисторов. МДП — транзисторы выполняются двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

МДП — транзисторы со встроенным каналом (рисунок 1.34).

1. С каналом n-типа
2. С каналом p-типа
3. С каналом p-типа и выводом от подложки

Рисунок 1.34 Подложка (П) может соединяться с истоком, а может и не иметь вывода. Стоковые характеристики по виду близки к характеристикам полевого транзистора с p-n переходом. При =0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке падение напряжения в канале мало, зависимость близка к линейной. Увеличение приводит к сужению проводящего канала, что уменьшает крутизну нарастания тока. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток канал сужается до минимума, что ограничивает нарастание тока и появлению пологого участка характеристики. Стоко — затворная характеристика располагается в двух квадрантах. При поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны- носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и уменьшению проводимости канала. Поэтому при стоковые характеристики располагаются ниже. Такой режим называется режимом обеднения. При поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, характеристики располагаются выше — режим обогащения. МДП — транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 1.35). а) b) c)

1. С каналом n-типа
2. С каналом p-типа
3. С каналом p-типа и выводом от подложки

Рисунок 1.35 Стоковые характеристики, , близки по виду соответствующим характеристикам — транзистора со встроенным каналом. Отличие в том, что управление током транзистора осуществляется лишь напряжения одной полярности. При =0, ток стока тоже равен нулю. Стоко — затворная характеристика при располагается в одном квадранте и имеет лишь режим обогащения. МДП — транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МДП транзисторах обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работать при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.

Конструкции мдп — транзисторов

МДП — транзисторы, наряду с полевыми транзисторами, о кото­рых будет написано ниже, являются униполярными, поскольку работа их основана на использовании носителей только одного типа — основных. Принцип работы МДП — транзистора основан на модуля­ции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием потенциала затвора. Для упрощения изложения материала далее будут рассматриваться МДП — транзисторы с индуцированным каналом, т. е. с каналом, который наводится в области между истоком и стоком только при наличии потенциала на затворе.

Различают по типу проводимости канала п— канальные (рис. 8,а) ир— канальные ( рис. 8, б ) МДП — транзисторы. Отметим, что уп— МДП — транзисторов быстродействие больше, так как подвижность основных носителей — электронов больше, чем дырок.

Как видно из рисунков, МДП — транзистор имеет 4 вывода: ис­ток, сток, затвор и подложка. При симметричной конструкции исток и сток в МДП — транзисторах обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему.

Основными конструктивными параметрами МДП — транзистора являются длина канала и ширина канала. Для обеспечения на­дежного наведения канала с учетом возможного несовмещения от­дельных областей затвор должен располагаться над каналом с некото­рым перекрытием.

Особенностью МДП ИМС является то, что в качестве пассивных элементов используют МДП — транзисторы. При использовании МДП транзистора в качестве резистора необходимо на его затвор подавать постоянное напряжение, величина которого будет определять номинал сопротивления. В качестве конденсаторов в МДП ИМС используют емкость затвор — подложка или барьерную емкость р-п-перехода сток ( исток ) — подложка.

МДП ИМС, у которых в объеме кристалла сформированы одно­временно п- и р-канальные МДП — транзисторы, называются компле­ментарными ( рис. 8, в ). Цифровые схемы на комплементарных МДП транзисторах ( КМДП ИМС ) практически не потребляют мощность в статическом режиме и потребляют ее только в момент переключения.

Как видно из рисунка, для формирования комплементарной структуры необходимо формировать р— карман для размещения п-МДП — транзисторов. Кроме того, для устранения влияния паразит­ных МДП — транзисторов применяют охранные кольцар + ип + — типа, которые могут опоясывать один или несколько транзисторов с кана­лом одного типа проводимости. Применение охранных колец снижает степень интеграции КМДП ИМС.

Существенным недостатком МДП ИМС является опасность пробоя затвора на подложку статическим электричеством при монта­же или транспортировке микросхем. Для устранения этого явления все логические входы дополняют охранными диодами и резисторами. Пример такой защиты на входе КМДП ИМС приведен на рис. 17. Назначение диодов D1 -D3 очевидно, а резисторR1 необходим для ограничения зарядного тока емкости затвор — подложка комплемен­тарных МДП — транзисторов в динамическом режиме.

МДП-транзистор со встроенным каналом

У таких транзисторов между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика — МДП-транзисторы (металл — ди­электрик — полупроводник), частный случай — окисел кремния — МОП-транзисторы.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов.

При приложении положительного напряжения к затво­ру электрическое поле притягивает электроны из подлож­ки, они скапливаются в области канала, сопротивление ка­нала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (рис. 23, в при U_си >0).

При отрицательном напряжении на затворе электриче­ское поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток стока падает (ре­жим обеднения). Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, малый ток затвора I₃ вызывается только утечкой по изоляции. Мощность управляющей цепи МДП-транзистора практически равна нулю.

Рисунок 23 — МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа (а);

семейство стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

МДП-транзистор с индуцированным каналом

Ка­нал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается и при напряжении U_зи=0 выходной ток отсут­ствует, I_с =0. Прибор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает носители со­ответствующего знака, создающие проводящий канал меж­ду областями истока и стока.

Рисунок 24 — МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа(а);

семейство стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Рисунок 25 — Схемные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), р-типа (б) и выводом от подложки (в); с инду­цированным каналом n-типа (г), р-типа (д) и выводом от подложки (е)

Мощные МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью.

Комбинированный транзистор, состоящий из управляю­щего MOSFET и выходного биполярного каскада, на­зывается биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ — IGBT (insulated gate bipolar transistor), в котором соединяются достоинства полевых и биполяр­ных транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Достоинством IGBT является больший коэффициент усиления и значительное снижение по­следовательного сопротивления (по сравнению с MOSFET) силовой цепи в открытом состоянии. Благодаря этому снижаются тепловые потери на замкнутом ключе.

Рисунок 26 — Принцип действия

и условное обозна­чение транзистора IGBT

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: