Електронна техніка біполярні транзистори з ізольованим затвором конструкція, принцип дії,
Москатов Є. А. Книга «Електронна техніка. Початок"
6. Біполярні транзистори з ізольованими затворами
6.1. Загальні відомості про БТІЗ
Біполярний транзистор з ізольованим затвором (БТІЗ) – англійською «insulated gate bipolar transistor» або скорочено IGBT – це компонент, управління яким, як польовим транзистором, здійснюють напругою, а протікання струму за силовими висновками колектора та емітера обумовлено, як у біполяра , рух носіїв зарядів обох типів. В єдиному технологічному циклі в напівпровіднику організують структури потужного біполярного p-n-p транзистора, яким управляє МОП-транзистор малої потужності, що має n-канал. Висновки БТІЗ носять назви затвора, колектора та емітера.
Переваги: можливість комутації струмів у тисячі ампер та допустимість докладання постійної напруги колектор-емітер у кілька кіловольт до замкненого транзистора. Якщо напруга колектор-емітер замкненого БТІЗ перевищує приблизно 600В, то колектор-емітер відкритого БТІЗ, що падає на висновках, напруга насичення зазвичай менше в порівнянні з польовими транзисторами тієї ж цінової групи.
Недоліки: навіть найменш інерційні БТІЗ призначені для функціонування на набагато нижчій частоті, чим польові транзистори, причому чим вища частота, тим нижча максимально допустима амплітуда струму колектора транзистора. При цьому БТІЗ за частотними властивостями поділяють на групи. При виготовленні БТІЗ крім необхідного біполярного p-n-p транзистора виникає ще паразитний біполярний n-p-n транзистор, і вони спільно утворюють структуру тиристора. Це відображено на еквівалентній схемі БТІЗ, зображеній на рис. 6.1 де компонент VT2 – це паразитний транзистор.
За високоїшвидкості перемикання компонента або при протіканні за висновками колектор-емітер короткого імпульсу струму великої амплітуди та іншого структура тиристора БТІЗ може мимоволі перейти у відкритий стан. При цьому БТІЗ втрачає керованість, і транзистор, як і пристрій, в якому він працював, можуть вийти з ладу.
Прикладаючи напругу, що відмикає, до висновків затвор-емітер, БТІЗ з відсічки переводять у стан насичення, опір колектор-емітер падає, і за цими висновками тече струм навантаження. Якщо напруга затвор-емітер відсутня, то транзистор має стан відсікання, в якому струм через висновки колектор-емітер практично відсутній. Таким чином, БТІЗ - це повністю керовані компоненти. Сучасні силові модулі БТІЗ витримують прямий струм колектора силою до 1,8 кА, напруга колектор-емітер у закритому стані до 4,5 кВ. БТІЗ зазвичай використовують як електронні ключі в імпульсних перетворювачах, наприклад, інверторних зварювальних апаратів, в системах управління електродвигунами і т.д.
6.2. Конструкція та принцип дії БТІЗ
Найпростіша структура БТІЗ планарного виконання відбито на рис. 6.2.
З малюнка видно, що на металевій підставі, до якої приєднано виведення колектора, розташована підкладка p + , а на ній знаходяться два n шари. Ці шари знижують коефіцієнт посилення p-n-p структури потужного біполярного транзистора. Найближчий до підкладки n + -шар необхідний зниження ймовірності мимовільного відмикання тиристорної структури. Більш віддалений від підкладки n - -шар втілюють в життя епітаксійним нарощуванням або іншими способами. Підкладка p + відіграє роль емітера біполярного p-n-p транзистора, область n - шару - його бази, а область p-типу, до якої підключають висновокемітера БТІЗ, – його колектора. Над n - шаром розташована p-область, яка виконує функцію каналу керуючого МОП-транзистора, затвор якого виконаний з полікристалічного кремнію та ізольований від напівпровідника емітерної області шаром оксиду SiO2. У цій канальній p-області розміщені n+-зони, які виступають як сток МОП-транзистора, а його витоком служить n-область. Затвор структури МОП-транзистора з'єднаний із виведенням затвора БТІЗ.
Якщо на затвор БТІЗ щодо емітера подати напругу позитивної полярності, що відмикає компонент, це призведе спочатку до відкривання під впливом електричного поля структури МОП-транзистора та інжекції електронів у її канал. В результаті виникає інжекція носіїв заряду в n - шар, що служить базою структури біполярного p-n-p транзистора, яка переходить у стан насичення. Таким чином, спочатку відбувається відмикання структури МОП-транзистора, а потім структури біполярного p-n-p транзистора. Опір колектор-емітер відкритого БТІЗ має дуже малу величину, а за виведенням колектора компонента тече струм навантаження.
Якщо прибрати подане раніше напруга, що відмикає, на висновки затвор-емітер БТІЗ, то канал у структурі МОП-транзистора зникає, в n - -шарі відбувається зниження концентрації носіїв зарядів через рекомбінацію. Рекомбінація – процес не миттєвий; доки вона йде, транзистор не закритий. Лише після завершення рекомбінації БТІЗ перетворюється на стан відсічки.
6.3. Основні параметри БТІЗ
До найважливіших параметрів IGBT відносять наступне:
Тривалість увімкнення та вимикання транзистора, мкс.
Ємності затвор-емітер, колектор-емітер та затвор-колектор при заданій напрузі колектор-емітер, нФ.
Заряд транзистора, нКл.
Максимально допустиму температуру нагрівання кристала транзистора, °C.
Максимальну потужність розсіювання, Вт.
Напруга насичення, тобто. напруга між висновками колектор-емітер відкритого транзистора, Ст.
Гранично допустимий імпульсний струм колектора за температури 25 °C, А.
Гранично допустимий постійний струм колектора за температури 25 °C, А.
Граничну швидкість наростання напруги, що не призводить до мимовільного відкриття транзистора, dU / dt.
Тепловий опір перехід-корпус, ° C / Вт.
Енергії включення, вимикання та перемикання, мДж.