Сколько выводов имеет классический силовой мдп транзистор

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 – транзисторы

МДП – транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. Затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. МДП изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется пленка окисла кремния . Получается МОП – окисел – полупроводник.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p –типа и n – типа.

Рисунок 39

МДП транзистор со встроенным каналом n – типа, исходным материалом служи кремниевая пластина p – типа, называемая подложкой. В ней создаются области n – типа с большой концентрацией донорной примеси, образующие сток–исток, а между ними тонкий приповерхностный слой n – типа с малой концентрацией примеси, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности кристалла создается оксидная пленка , которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними выводами осуществляются от области стока и истока, от металлического затвора, а также в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки соединяют с истоком.

Принцип действия МДП – транзистора со встроенным каналом рисунок 39, б основан на изменении проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.

При через транзистор протекает ток под действием напряжения сток–исток приложенного + к стоку при канале n – типа.

По мере увеличения напряжения />канал к стоку сужается, проводимость уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения, при дальнейшем увеличении напряжения />происходит пробой.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их из канала в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, а значит уменьшается и ток стока />. Чем больше отрицательное напряжение затвора по абсолютной величине, тем меньше проводимость канала и меньше />.

а) б) Рисунок 40

При подаче положительного напряжения на затвор, электрическое поле затвора притягивает электроны из р – слоя в канал и от n – слоев стока и истока: канал обогащается основными носителями заряда и его проводимость увеличивается. С повышением положительного напряжения на затворе возрастает ток стока .

Cтоко–затворная характеристика МДП транзистора (рисунок 40, б) отражает зависимость тока стока от напряжения затвор–исток. При некотором значении отрицательного напряжения затвор–исток, электроны будут полностью вытеснены из канала, т.е. канал исчезнет, а ток через транзистор упадает до нуля: транзистор закрыт.

МДП транзистор с индуцированным каналом. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке р – типа создаются области n –типа истока и стока, а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе транзистор остается закрытым.

Это объясняется тем, что при любой полярности напряжения оба p – n перехода (исток–подложка и сток–подложка) находятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока, электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхостного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия) т.е. индуцируется проводящий канал n – типа.

Напряжение на затворе, при котом ток становится равным нулю при данном значении напряжения , называется пороговым напряжением . При отрицательном напряжении на затворе канал n–типа не индуцируется: транзистор остается закрытым.

а) б) Рисунок 41

Преимущество МДП – транзисторов перед полевыми с управляемым p – n –переходом является гораздо большее входное сопротивление, , существенно меньшие межэлектродные емкости.

Рисунок 42 Рисунок 43

Условно-графическое обозначения МДП транзистора с встроенным каналом n -типа изображено на рисунке 42, а; с каналом р – типа на рисунке 42, б; с каналом n –типа с выводом от подложки на рисунке 42, в; с каналом р – типа с выводом от подложки на рисунке 42, г. Аналогично классифицируется условно-графические обозначения МДП транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 43, а, б, в, г).

Широкое распространение получили МДП–транзисторы в интегральных микросхемах благодаря удобной технологии изготовления, низкой стоимости, высокому входному сопротивлению, малому собственному шуму, а также большому коэффициенту усиления напряжения и мощности.

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

Полевые транзисторы. For dummies

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
• поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
• высокая температурная стабильность;
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
• малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Транзисторы в источниках электропитания

Широкое применение в ИЭП получили полупроводниковые транзисторы. Они используются в схемах усилителей, переключательных схемах и в устройствах управления работой ИЭП. Наиболее популярными являются биполярные транзисторы, полевые транзисторы с изолированным затвором, биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Биполярные транзисторы. Транзисторы в силовых узлах ИЭП импульсного действия работают в ключевом режиме, для которого характерно два основных состояния: в течение определенной части периода коммутации транзистор находится в открытом (насыщенном) состоянии, в течение оставшейся части периода — в закрытом состоянии. При переходе из закрытого состояния в открытое (процесс включения) или из открытого состояния в закрытое (процесс выключения) транзистор кратковременно находится в активной области — в течение доли или единиц микросекунд, что обычно на несколько порядков меньше длительности открытого или закрытого состояния.

При выборе типа транзистора и их числа для конкретной схемы определяющими являются мгновенные значения напряжения в закрытом состоянии и тока в открытом состоянии, а также их сочетание в активной области. Предельно допустимые сочетания параметров приводятся в технических условиях на транзисторы в виде графика области безопасной работы, называемой также областью максимальных режимов (рис. 1.20). Типовая область безопасной работы транзистора размещена внутри ломаной линии, состоящей из четырех отрезков (1,2,3 и 4).

Максимальное граничное значение тока коллектора /_к (отрезок 1) определяется из условия допустимой плотности тока для выбранной структуры и конструкции транзистора. При увеличении плотности тока нагрев транзистора повышается, что приводит к снижению коэффициента усиления. Максимальная рассеиваемая мощность при работе транзистора в активной области ограничивается отрезком 2 и определяется допустимой температурой нагрева кристалла. Отрезок 3 ограничивает сочетания токов и напряжений, не вызывающих вторичный пробой транзисторной структуры. Отрезок 4 ограничивает значение напряжения U_K3Qrp, которое соответствует напряжению первичного лавинного пробоя при разомкнутой цепи базы (т. е. когда ток базы /_Б = 0).

Рис. 1.20. Области безопасной работы транзистора для различных длительностей импульсов:

1 -I отрезки, ограп им и пагощисобласть безопасной работы

Положение отрезка 3 зависит от режима цепи управления транзистором. При обратном смещении цепи эмиттер-база в процессе выключения транзистора вторичный пробои наступает при меньших значениях импульсной мощности по сравнению с мощностью в режиме прямого смещения в процессе включения транзистора. Это объясняется концентрацией избыточных носителей, которая прямо пропорциональна значению запирающего тока во входной цепи транзистора.

Различают две разновидности вторичного пробоя: тепловой и токовый. Тепловой вторичный пробой обусловлен неоднородностью проводимости кристалла в отдельных местах и, следовательно, различными плотностью тока и температурой по поверхности кристалла. При повышении температуры ее неравномерность увеличивается, на поверхности образуются так называемые «горячие пятна» и через определенное время происходит полное проплавление кристалла в этих локальных областях, что приводит к короткому замыканию цепи эмиттер-коллектор. Токовый вторичный пробой происходит при критическом значении плотности тока, когда увеличение напряженности поля приводит к неконтролируемому умножению носителей в обедненном слое коллектора. При этом напряжение на транзисторе резко уменьшается до 5. 8 В. Токовый вторичный пробой в отличие от теплового определяется импульсной мощностью и не зависит от времени нахождения транзистора в области критического сочетания значений напряжения и тока.

При кратковременном нахождении транзистора в активной области и в области насыщения границы безопасной работы расширяются. На рис. 1.20 штриховыми линиями показаны смещения отрезков 2, 3 и 4 для различных значений длительности импульсов *и 1 > *112 > *иЗ > *1Й-

При длительности импульса порядка десятков микросекунд работа транзистора определяется только максимальным током и мощностью вторичного пробоя (линия 3 укорачивается до нуля). Допустимый максимальный импульсный ток, как правило, в 2-3 раза превышает допустимый максимальный постоянный ток.

Область безопасной работы в технических условиях приводится обычно для определенной температуры корпуса транзистора. Для иного значения температуры необходимо учитывать перемещение линии 3 в соответствии с зависимостью допустимой рассеиваемой мощности Р_ра(. от температуры корпуса 0_К :

где 0_мер — предельно допустимая температура перехода транзисторной структуры; R_e — тепловое сопротивление между переходом транзисторной структуры и корпусом.

Рис. 1.21. Зависимость допустимой рассеиваемой мощности от температуры корпуса

Температура корпуса 0_к(), выше которой начинается снижение допустимой рассеиваемой мощности (рис. 1.21), определяется из уравнения

где P_{pac lIOM} — номинальная длительно рассеиваемая мощность.

Положение отрезка 3 (см. рис. 1.20) незначительно зависит от температуры корпуса, особенно при токовом вторичном пробое. Отрезки 1 и 4 приводятся в технических условиях для всего интервала рабочих температур. Потери мощности в транзисторах, работающих в режиме переключения, состоят из потерь статических и динамических. Статические потери Р_сх определяются суммой потерь в состояниях насыщения Р_иас и отсечки Р_огс:

Здесь /_д — действующее значение тока транзистора; /_Бср — среднее значение тока базы; /?_нас = ?/_КЭнас / /кном “ сопротивление насыщения; ?/_КЭнас и ?/[з_Энас — остаточные напряжения в режиме насыщения в силовой и входной цепях соответственно; /_кэ — ток коллектора закрытого транзистора; и_кэ — напряжение на закрытом транзисторе; X = t_n / Т — коэффициент заполнения; t_n — длительность импульса.

Динамические потери мощности Р_днм вычисляют из уравнения

где Р_ивкл и Р„ _выкл — импульсная (пиковая) мощность в процессе включения и выключения транзистора соответственно; Т- период коммутации транзистора; t_ulul и t_Bbnai — эквивалентное время рассеяния мощности в процессе включения и выключения соответственно.

Значения ?_вкл и ?_выкл определяются после приведения импульса мощности к прямоугольной форме с амплитудой Р_{н вкл} и Р_{И выкл} методом равенства площадей (Втс). Амплитуды импульсов мощности Р вкл и Р иыкл можно определить осциллографнрованием траектории рабочей точки в процессе включения и выключения. Для этого на канал Y высокочастотного осциллографа подается ток /_к, а на канал X — напряжение и_эк.

При выборе транзистора для работы в ключевом режиме учитываются следующие основные физические и конструктивно-технологические параметры:

• • время рассасывания f_pac — для обеспечения быстродействия ключа (должно быть минимальным);
• • время включения (нарастания тока) ?_вкл и выключения (спада тока) ?_выкл — для снижения динамических потерь (минимально);
• • ток загрузки /_К|СЛ — классификационный ток, превышение которого технически нецелесообразно;
• • потери Р_па(. во включенном состоянии (минимальные);
• • коэффициент передачи тока транзистора в ключевом режиме /?2i„_ac> определяющий приведенные выше параметры и требуемую мощность предварительного усилителя;
• • массу fra_min (минимальную);
• • площадь 5_mj_n, занимаемую корпусом транзистора на теплоотводе (минимальную);
• • площадь кристалла транзистора 5_кр (минимальную).

Полное удовлетворение всех требований к транзистору не представляется возможным, так как некоторые из них являются взаимоисключающими. В большинстве практических случаев решающим является какой-либо один параметр, например коэффициент передачи /г₂1 „_ас при выборе транзистора для маломощных устройств управления или для синхронного выпрямителя. При больших рабочих токах важное значение приобретает напряжение t/_K3l|ac.

Параметры транзистора при работе в режиме переключения могут быть найдены при определенном значении так называемого классификационного тока загрузки транзистора /_Ккл, который является предельным при выборе рабочего тока коллектора /_к. Значение классификационного тока для конкретного типа транзистора выбирается по соображениям технической целесообразности и определяется из условия минимальных потерь мощности в транзисторе. В качестве количественного критерия насыщения при оценке классификационного тока принята мощность Р_{пас min}.

В то же время показательной характеристикой транзистора в режиме переключения является коэффициент передачи тока. Его значение меняется при изменении тока коллектора. Ухудшение передаточных свойств транзистора с увеличением тока приводит к неравномерному изменению мощности статических потерь в транзисторе. При значении коллекторного тока, равного току /_Ккл, на графике зависимости /z(/_K) имеется точка перегиба (рис. 1.22). Наличие этой точки обусловлено в основном более резким увеличением потерь мощности в базовой цепи Р_БЭ||ас при превышении током коллектора значения /_Ккл.

На практике чаще используют зависимость ^БЭнас.омт — ^кэУк / (рис. 1.23), точка перегиба которой определяет искомое значение классификационного тока. В табл. 1.10 приведены рекомендуемые значения классификационных токов нагрузки некоторых типов транзисторов при работе в ключевом режиме.

Таблица 1.10. Классификационные токи транзисторов

Классификационный ток, Л

Рис. 1.22. Зависимость коэффициента передачи тока транзистора в режиме минимальных потерь от тока кол лек-гора

Рис. 1.23. Зависимость потерь в базовой цепи транзистора в режиме оптимального насыщения

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-тран- зисторы). Полевые транзисторы в настоящее время получили широкое распространение во всех областях электронной техники, в частности в ИЭП, постепенно вытесняя биполярные транзисторы. Разработано большое количество типов полевых транзисторов, однако в ИЭП нашли применение в основном мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). Если в биполярном транзисторе управление осуществляется подачей тока в базу, то управление полевым транзистором осуществляется приложением напряжения к затвору, изолированному от силового p-w-перехода тонким слоем оксида. Сопротивление постоянному току в цепи управления весьма велико, поэтому полевой транзистор принято считать потенциальным прибором. Эта особенность полевого транзистора позволяет упростить схему управления его работой, существенно снижая значение мощности управляющего сигнала.

Вторым отличием полевого транзистора от биполярного является отсутствие неосновных носителей, что снижает время рассасывания практически до нуля.

Важным является повышенная теплоустойчивость полевых транзисторов. Рост температуры приводит к увеличению сопротивления открытого прибора и соответственно к уменьшению тока, что способствует нормальной работе приборов при их параллельном включении.

Однако не следует считать, что полевой транзистор является идеальным прибором при работе в режиме ключа. Его применение в электронных схемах имеет свои особенности.

На рис. 1.24 приведена структура вертикального МДП-тран- зистора с коротким каналом, обладающего высоким пробивным напряжением, оптимальным использованием площади кристалла и хорошим теплоотводом. Двойная имплантация с коротким каналом обеспечивает высокую скорость нарастания тока. Металлизация истока соединяет отдельные элементы структуры параллельно и создает короткое замыкание между областями пип истока. Вследствие этого образуется короткое замыкание между базой и эмиттером паразитного вертикального биполярного транзистора п — р-п . Это необходимо, чтобы избежать включения транзистора во время динамических процессов, например вследствие высокой скорости нарастания напряжения. С другой стороны, образуется внутренний обратный диод между базой и коллектором (р-и-переход), так что при отрицательном напряжении между стоком и истоком МДП-транзистор проводит обратный ток.

Рис. 1.24. Структура вертикального МДII-транзистора

Принцип работы МДП-транзистора поясняет рис. 1.25. В закрытом состоянии (рис. 1.25, а) под затвором образуется зона объемного заряда 303. что препятствует протеканию тока стока. Электрическая прочность перехода зависит, как и у диодов, от легирования и толщины п -области: чем ниже легирование и чем больше толщина, тем выше пробивное напряжение. Обратный ток стока незначителен и составляет несколько наноампер.

Рис. 1.25. Принцип работы МД11-транзистора:

а закрытое состояние; 6 открытое состояние

При положительном напряжении между затвором и истоком происходит инжекция носителей заряда, канал переходит от запертого состояния в проводящее и МДП-транзистор открывается (рис. 1.25, б). Ток стока течет только тогда, когда управляющее напряжение f/_3M превышает пороговое напряжение затвора ^зипор* которое составляет 2,1. 4 В и имеет отрицательный температурный коэффициент. Этим достигается собственная термическая стабильность при высоких токах (вторичный пробой отсутствует). При повышении управляющего напряжения выше порогового напряжения затвора ток стока /_с увеличивается соответственно передаточной характеристике, представленной на рис. 1.26. При управляющем напряжении ниже порогового напряжения затвора транзистор полностью заперт. В то же время отрицательное управляющее напряжение затвора не повышает степень запирания транзистора. Максимальное значение управляющего напряжения составляет ±(20. 30) В в зависимости от типа транзистора. Превышение этого значения даже кратковременно недопустимо, иначе транзистор может выйти из строя.

Рис. 1.26. Характеристики МДП-транзистора типа 2SK3131:

а передаточные характеристики при ^СИ = 20В(7 при 7′_к= Ю0’С;2 при Т_К = 25*С);6 выход* иыс характеристики при 7′_К = 25*С в координатных осях Iq ?50 Л н Ucw S10 1i (1 7/₃ц = 15 В;

2 ?/_зи = 10 В; 3 и_ш = 6 В; •/ У_зи = 5,5 В; 5 t/_3M = 5,25 В: 6 ?/_зи = 5 В; 7 ?/_зи = 4.75 В: 8 77_зи=4,5 В); о выходные характеристики при Т_к = 25 *С в координатных осях/с ?100 Л

и [/_си ? 50 В (1 U_3U = 15 В; 2 — ?/_зи = 10 В; 3 — U_3ll =6 В; 4 — У_зи = 5,5 В; 5 — «/_зи = 5 В; 6 6 | ЗИ = 4,5В); г допустимая энергия при лавинном пробое при /с = 50 Л, U_BX = 90 В, L = = 357 мкГн; д зависимости емкостен нолевого транзистора от 6’сц: е зависимости напряжении Uq ii и U-jpj от полного заряда затвора 0;j (1 7/(-Ц = Ю0 В; 2 UqM = 200 В; 3 — t’CH = / 100 В) при

Выходные характеристики МДП-транзистора (см. рис. 1.26) содержат важную информацию о взаимосвязи между током стока /_с, напряжением сток-исток ?/_си и управляющим напряжением ?/_зи. В открытом состоянии транзистор можно рассматривать как омическое сопротивление, т. е. отрицательный ток стока также может протекать, но только до момента, пока не будет превышено пороговое напряжение внутреннего обратного диода. Напряжение обратного диода в открытом состоянии составляет 1. 1,5 В.

Типовая область безопасной работы МДП-транзистора при постоянном токе стока и в импульсном режиме приведена на рис. 1.27. Следует отметить высокую нагрузочную способность транзистора по току. Например, допустимый ток стока в импульсном режиме в 4 раза выше номинального. Допустимый ток стока определяет кроме граничного постоянного тока стока полное термическое сопротивление Яу (кристалл — охлаждающая среда).

Рис. 1.27. Типовая область безопасной работы МДП- транзистора:

1 при постоянном токе; 2 при импульсном гокс, Х„ — 1 мс; У при импульсном токе, Т„ — 100 мкс

Вследствие коротких времен переключения больших токов появляются пиковые напряжения, которые могут превышать пробивное напряжение транзистора ^сипроб- Как показано на рис. 1.26, г, температура канала Г_1Сап ограничивает допустимую энергию ?_AS, которая может выделяться в транзисторе. На практике необходимо учитывать, что в транзисторе возникают потери переключения и от прямого тока.

На рис. 1.28 приведена упрощенная эквивалентная схема МДП- транзистора. Поскольку на одной подложке обычно находятся более 10 000 параллельно включенных отдельных транзисторов, эквивалентная схема дает лишь некоторое приближение к реальной конструкции. Паразитные емкости и сопротивления являются распределенными и зависят от напряжения сток-исток. Большое влияние на процесс переключения имеет так называемая емкость Миллера C_Ml, т. е. емкость между затвором и стоком С_зс. Она существенно зависит от напряжения. На рис. 1.26 показаны изменения емкостей входной С_ии, проходной С₁₂и и выходной С в зависимости от напряжения и_си. Измерение отдельных емкостей возможно только в виде связанных величин. Основной проблемой применения МДП-тран- зистора является наличие сопротивления в открытом состоянии R_cиоткр> которое состоит из паразитных сопротивлений и увеличивается с повышением пробивного напряжения Uf_lp (а= 1,6-2,5 — по

данным разных производителей) и температуры кристалла. Параллельное включение МДП-транзисторов приводит к снижению сопротивления.

Рис. 1.28. Упрощенная эквивалентная схема МДII-транзистора

Рассмотрим более подробно процессы, происходящие при работе МДП-транзнстора.

В процессе переключения управление МДП-транзистором производится напряжением. Поэтому для управления по затвору требуется незначительная мощность. Однако всякое изменение режима требует перезаряда входных емкостей С₁, _и

С_зи + С_зс. Время переключения МДП-транзистора определяется только перезарядом входных емкостей, особенно емкости Миллера, и внутренним сопротивлением транзистора. Выбор внутреннего сопротивления управляющего устройства R, позволяет установить время переключения в широком диапазоне. На выбор этого сопротивления ограничения сверху накладывают повышенные потери переключения, а снизу — ток перезаряда входных емкостей и колебания, вызванные индуктивностью управляющего контура. На рис. 1.29 приведены типовые характеристики тока и напряжения в режимах включения и выключения МДП-тран- зистора при омической и индуктивной нагрузках (масштабы U_3и и и_си различны).

В процессе включения при подаче управляющего напряжения на МДП-транзистор в момент г₍₎ растет напряжение затвор-исток ?/_зи соответственно заряду входных емкостей. Когда в момент t напряжение достигает порогового напряжения затвора ?/_ЗИ1Юр, ток стока /_с начинает возрастать, а напряжение ?/_си при омической нагрузке — падать. В момент t₂ напряжение сток-исток ?/_си равно напряжению затвор-исток ?/_зи и начинает оказывать влияние повышенная емкость Миллера.

В период времени от t₂ до t₃ транзистор работает в качестве интегратора Миллера, т. е. напряжение затвор-исток остается постоянным, ток затвора течет через емкость Миллера и напряжение сток-исток еще более снижается. В течение времени от t₃ до t_A входная емкость заряжается до уровня приложенного управляющего напряжения. При индуктивной нагрузке в период времени от t до t₃ напряжение сток-исток остается постоянным, но с момента t₂ ток стока превышает нагрузочный ток стационарного режима, так как обратный ток включенного параллельно с индуктивностью диода нагружает транзистор дополнительно. После спада обратного тока диода напряжение сток-исток снижается в зависимости от перезаряда емкости Миллера. Надо иметь в виду, что высокая скорость нарастания тока стока при низкоомном управлении МДП-транзистора может вызывать перенапряжения в схеме. В течение времени от t_A до t_G транзистор снова работает в режиме интегратора Миллера.

Рис. 1.29. Типовые характеристики токаи напряжения в режимах включения и выключения МДП-гранзистора при омической (а) и индуктивной (6) нагрузках

Напряжение затвор-исток повышается к моменту времени t₇ до уровня приложенного управляющего напряжения.

Интервал между моментом времени, когда f/_3и достигает 10 % своего конечного значения, и моментом времени, когда ?/_зи уменьшается до 10 % своего начального значения, называется временем включения ?_вкг

Процесс выключения МДП-транзистора начинается в момент времени t₅ при омической или в момент времени t₈ при индуктивной нагрузке, когда снимается управляющее напряжение. При этом входная емкость разряжается через внутреннее сопротивление управляющего устройства. Напряжение затвор-исток падает, значение тока стока не изменяется. В течение времени от t_G до t-j (или от t$ до ?|₀ при индуктивной нагрузке) транзистор действует опять как интегратор Миллера: напряжение затвор-исток остается постоянным, напряжение сток-исток повышается. В момент ?₇ напряжение затвор-исток сравнивается с напряжением сток-исток и емкость Миллера снижается, ток стока падает. В случае индуктивной нагрузки ток стока из-за действия индуктивности остается еще постоянным до момента когда ток нагрузки переходит на включенный параллельно индуктивности диод. Транзистор закроется в момент времени (или t_vl), когда напряжение затвор-исток достигнет порогового напряжения затвора. В период времени от t₈ до t_D (или от t_n до ?13) происходит разряд входных емкостей.

Интервал между моментом времени, когда напряжение ?/_зи уменьшится до 90 % своего начального значения, и моментом времени. когда напряжение ?/_си достигнет 90 % своего конечного значения, называется временем выключения ?_выкл.

МДП-транзистор с быстродействующим обратным диодом. Важным параметром МДП-транзистора является время обратного восстановления, которое увеличивается с повышением пробивного напряжения и составляет 100. 1800 нс. Характеристики обратного восстановления (заряд время t_BOC) оказываются гораздо хуже, чем у специальных диодов с малым временем обратного восстановления, которые применяются в качестве антипараллельных диодов в биполярных транзисторах. Например, у биполярного транзистора IGR4PC40D заряд обратного восстановления диода Q_BOC = = 100 нКл, а время обратного восстановления ?_1ЮС = 50 нс. У МДП- транзистора типа 2SK3131 заряд обратного восстановления внутреннего диода Qhoc = 380 нКл. а время обратного восстановления *,« = 105 НС.

Большой заряд обратного восстановления внутреннего диода МДП-транзистора приводит к большим потерям включения и токовым перегрузкам в полумостовых и мостовых схемах. Для устранения этого недостатка рекомендуется заменить диод параллельнопоследовательным включением двух быстрых диодов. При этом, естественно, возрастут потери проводимости.

Рассмотрим, как осуществляется управление работой МДП- транзистора. Перед приложением рабочего напряжения к переходу сток-исток необходимо, чтобы затвор был подключен к системе управления и не был открытым. В противном случае емкость затвор-исток заряжается через емкость затвор-сток и транзистор включается без управляющего сигнала. Чтобы избежать этого, нужно включить низкоомное сопротивление между затвором и истоком и обеспечить отключение управляющего напряжения перед приложением рабочего напряжения к переходу сток-исток.

Для расчета управляющего устройства целесообразно использовать заряд затвора (рис. 1.26, е), состоящий из заряда затвор-исток Ози и заряда затвор-сток Q_:jc.

В этом случае максимальный управляющий ток определяется по выражению

а управляющая мощность — по выражению где /- частота тока.

Для включения МДП-транзистора требуется энергия от управляющего устройства, причем ее значение невелико. Выключение МДП-транзистора не требует энергии, так как емкости разряжаются полностью.

Схема управления работой МДП-транзистора должна обладать следующими свойствами:

• • низким динамическим внутренним сопротивлением, вследствие чего обеспечивается заряд и разряд входной емкости Сц_И транзистора. Напряжение затвора между циклами перезаряда должно оставаться постоянным, а влияние со стороны стока должно быть минимальным;
• • возможностью настройки времени нарастания при сохранении низкого сопротивления. Кроме подбора 7?С-цепочки существуют также другие возможности изменения переключающего фронта (рис. 1.30);
• • плавающим потенциалом транзисторов в мостовых схемах. Работа транзисторов в мостовых схемах, например в инверторах, требует потенциальной развязки. Чтобы избежать влияния на управляющее устройство, необходимо обеспечивать малые емкостные связи;

Рис. 1.30. Варианты схем управления МДП-транзистором для изменения крутиз- 11 ы управляю it ie го с и п]ала:

а КС-цепочка; 6 диод; а емкость обратной свяли; г, д — интегратор

• • управляющим напряжением при выключении транзисторов. Время выключения транзистора зависит от разряда емкости затвора. Чтобы ускорить время выключения, рекомендуется закоротить емкости затвора или приложить отрицательное управляющее напряжение;
• • малой емкостью связи между контуром управления и контуром нагрузки для снижения влияния помех на управляющее устройство, например вследствие больших скоростей нарастания напряжения в цепи нагрузки. При этом могут иметь место значительные импульсные помехи даже при сравнительно малой емкости;
• • плотной конструкцией с минимальной индуктивностью. Целесообразным является размещение усилителя управления непосредственно у контактов МДП-транзистора.

При параллельном включен и и МД П-транзисторов их сопротивление в открытом состоянии повышается с увеличением температуры, и нагрузка автоматически распределяется между транзисторами. Если в одном из транзисторов ток повышается, то транзистор нагревается, его сопротивление в открытом состоянии увеличивается. ток стока уменьшается и устойчивое состояние восстанавливается. При параллельном соединении транзисторов необходимо соблюдать следующие правила:

• • применение транзисторов одного типа; в зависимости от обстоятельств отбор транзисторов по пороговому напряжению затвора;
• • симметричное расположение на стороне нагрузки;
• • короткие длины проводов (низкие индуктивности);
• • возможно низкие емкостные связи;
• • взаимная развязка затворов при помощи сопротивлений развязки (от 10 до 100 Ом для каждого транзистора) или применение раздельных схем управления, как приведено на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Управление параллельно включенными МДП-транзисторами по цепям затворов с помощью: а резисторов; б операционных усилителей

Рассмотрим особенности построения схем управления работой МДП-транзистора. Простейшая схема управления приведена на рис. 1.32, а. Параллельное включение нескольких таких логических схем позволяет согласовать выходной ток с необходимым управляющим током МДП-транзистора.

Другим вариантом является управление МДП-транзистором от комплементарных маломощных транзисторов с МДП-струк- турой или биполярных транзисторов (рис. 1.32, б). В усилителе на рис. 1.32, в используется схема с эмиттерным повторителем. Быстродействующая схема управления с усилителем по схеме Дарлингтона на комплементарных транзисторах показана на рис. 1.32, г.

Рис. 1.32. Варианты схем управления МДП-траизисторамп

Важным для работы МДП-транзистора в ИЭП является его защита от перенапряжения. Благодаря устойчивости МДП- транзистора к лавинному пробою перенапряжения являются опасными только в случае короткого замыкания, когда значения токов пробоя превышают допустимые. Эффективную защиту можно обеспечить работой по схеме с зенеровским диодом (рис. 1.33). Зенеровский диод V3 защищает электрод затвора от перенапряжения. Диод выбирается для конкретных значений напряжения и ударного тока. Дополнительный зенеровский диод VI с соответствующим напряжением и обыкновенный диод 1 7 2 между стоком и затвором защищают транзистор от пробоя. Если в закрытом состоянии напряжение сток-исток превышает сумму напряжения зенеровского диода, порогового напряжения диода и порогового напряжения затвора, то транзистор включается. Открытие транзистора препятствует его разрушению из-за неконтролируемого пробоя. Различают два вида короткого замыкания: МДП-транзистор включается на короткое замыкание; короткое замыкание происходит в открытом состоянии МДП-транзистора.

Рнс. 1.33. Защита МДП-транзистора от перенапряжения и схеме езене- ровским диодом

Защита от короткого замыкания осуществляется контролем напряжения сток-исток транзистора. Контроль должен начинаться при включении транзистора после времени запаздывания в момент, когда напряжение сток-исток достигает стационарного значения. Вследствие этого короткие замыкания первого вида определяются с задержкой, а короткие замыкания второго вида — без задержки. Время запаздывания следует выбирать меньше, чем самая короткая длительность импульса из области безопасной работы МДП-транзистора (см. рис. 1.27). При превышении допустимого значения напряжения сток-исток рекомендуется выключить транзистор за возможно короткое время.

Силовые МДП-транзисторы изготавливают в пластмассовых или металлических корпусах, а также в виде модулей. Применение полностью изолированных модулей особенно целесообразно в инверторах повышенной и высокой частоты. Модули выпускают в виде отдельных ключей или полумостовых схем с быстродействующими обратными диодами. Значения параметров некоторых импортных силовых МДП-транзисторов приведены в табл. 1.11.

Похожие публикации:

1. Из за чего может сгореть блок питания на компьютере
2. Sat 50 или sat 703 что лучше
3. В чем измеряется длительность импульса
4. Для чего нужны одноплатные компьютеры