Силовые биполярные транзисторы

Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и способный работать как в усилительных (непрерывных), так и в ключевых режимах [5].

Открытое состояние ключа определяется наличием в структуре ячейки проводящего канала с высокой концентрацией носителей, а значит, низким сопротивлением протекающему току. Чтобы запереть ключ, необходимо обеспечить условия прерывания движения носителей в проводящем канале. Это достигается за счет образования области, обедненной носителями (областью пространственного заряда ОПЗ), в которой отсутствуют электроны и дырки. Управление проводимостью ключа осуществляется от внешнего вывода, называемого базой, затвором или управляющим электродом.

Типовые сочетания полупроводниковых слоев разной проводимости для наиболее известных ключевых приборов показаны на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Современные биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния по диффузионной технологии. Базовая ячейка транзистора n-p-n-типа представлена на рис. 1.6. В зависимости от полярности напряжений на переходах (это эмиттерный n+-р- и коллекторный р-n^─-переходы) различают четыре режима работы транзистора: насыщение, отсечка, активный нормальный и активный инверсный. Режим насыщения соответствует открытому состоянию ключа, при этом оба перехода транзистора смещены в прямом направлении.

В режиме отсечки переходы смещены в обратном направлении, а через транзистор проходят небольшие токи утечки. Активный режим работы транзистора в ключевом применении имеет место на фронтах переходного процесса переключения и характеризуется прямым смещением одного из переходов.

Рис. 1.6

При прямом смещении эмиттерного перехода активный режим называется нормальным. То есть в этом режиме эмиттер и коллектор транзистора выполняют функции инжекции и собирания носителей тока. Схемное инверсное включение транзистора на практике применяется редко. Возможна физическая инверсия, например, в процессе запирания транзистора большим отрицательным током базы. С увеличением внешнего напряжения происходит расширение области пространственного заряда (ОПЗ) в глубь эпитаксиального слоя. На рисунках граница ОПЗ обозначена пунктирной линией.

С расширением ОПЗ, начинает расти напряженность электрического поля в n^─-слое и может наступить лавинный пробой.

Допустимые рабочие напряжения транзистора (не приводящие к пробою) определяются размерами n^─-слоя коллектора и его легированием.

Пробивное напряжение коллекторного перехода может снизиться из-за явления поверхностного пробоя, который происходит в области выхода перехода на поверхность кристалла. Одним из методов повышения рабочих напряжений, является создание расширенного металлического электрода, что увеличивает пробивное напряжение более чем до 1000 В.

Рассмотрим режим больших токов, когда концентрация инжектируемых эмиттером дырок становится сравнимой с равновесной концентрацией электронов в базовой области. В области базового слоя возникает электрическое поле, что приводит к уменьшению сопротивления базового слоя и, следовательно, к уменьшению коэффициента инжекции, повышается скорость перемещения носителей через базу, что увеличивает коэффициент переноса.. Спад коэффициентов передачи токов (рис. 1.7) определяет предельно допустимый ток биполярного транзистора, что требует значительных затрат мощности управляющего сигнала для поддержания открытого состояния ключа.

Другой особенностью работы транзистора при высоких уровнях инжекции является неравномерное распределение плотности тока, что является дополнительной причиной снижения коэффициентов передачи в открытом состоянии транзистора.

Рис. 1.7

Для уменьшения влияния эффекта оттеснения уменьшают размеры эмиттерного слоя делают его виде многополосковой гребенчатой структуры. В приборах третьего поколения разделяют эмиттерный слой на две составляющие и тем самым снижают влияние эффектов шнурования тока. Наличие слаболегированной n-области коллектора приводит к снижающим коэффициент передачи тока. Увеличение тока транзистора приводит к расширению ОПЗ в n^─-слое коллектора при одновременном уменьшении размеров обедненной области в р-базе. Для увеличения коэффициента передачи тока в силовых высоковольтных транзисторах используют составные структуры, называемые транзисторами Дарлингтона (рис. 1.8). Коэффициент передачи тока в такой структуре р равен произведению коэффициентов передачи тока двух транзисторов β₁, и β₂. Шунтировка эмиттерных переходов снижает инжекционные способности, но повышает рабочее напряжение в цепи коллектор-эмиттер и тепловую стабильность в структуре. При этом также улучшаются динамические характеристики выключения транзистора за счет создания контура протекания отрицательных токов базы. Часть базового р-слоя транзистора, находящаяся под слоем эмиттерной металлизации, образует с коллектором внутренний р-n-переход, который может рассматриваться как обратный диод, включенный параллельно выходной цепи транзистора. Его способность по токовой нагрузке и мощности не соизмерима с показателями самого транзистора. Использование такого диода в качестве полноценного демпферного компонента в схемах мостовой и полумостовой конфигурации, весьма проблематично. В современных сериях транзисторов Дарлингтона используют параллельные обратные диоды, созданные на отдельном кристалле, интегрированном в корпус прибора.

Рис.1.8

Рис.1.9

Нагрузочная способность таких диодов соответствует транзисторной. Инерционность изменения тока зависит от перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода Скб. Данная емкость зависит от напряжения база-коллектор. С ростом напряжения емкость Ссв уменьшается (рис. 1.9).