Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(IGBT - транзисторы)

6.19.1. Биполярные транзисторы с изолированным затвором

БТ с изолированным затвором – это полностью управляемый полупроводниковый прибор.Его включение и выключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 6.40 приведено условное обозначение IGBT.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются продуктом развития технологии силового транзистора с структурой МОП и сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный транзистор (образующий силовой канал) и полевой транзистор (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 6.41.

Рис. 6.40 – Условное обозначение IGBT-транзистора

Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора – Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления – выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединение эмиттера и стока (D), базы и истока (S) является внутренними.

Сочетание двух приборов в одной структуре позволила объединить достоинства биполярного и полевого транзисторов (высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением в включенном состоянии, малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие значения обратного напряжения, хорошие температурные характеристики).

Рис. 6.41. Эквивалентная схема включения двух транзисторов в составе IGBT-транзистора

Схематичный разрез структуры IGBT-транзистора приведен на рис. 6.42.

Биполярный транзистор образован слоями p⁺ (эмиттер), n (база), p (коллектор). Полевой транзистор образован слоями n (исток), n⁺ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p⁺ и p имеют внешние выводы, включенные в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включенный в цепь управления.

Процесс включения биполярного транзистора с изолированным затвором можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит включение полевого транзистора (формируется канал n 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.

Рис. 6.42. Схематичный разрез структуры IGBT-транзистора

Как отмечалось выше, для обозначения электродов IGBT-транзистора с изолированным затвором принято использовать термины ²эмиттер², ²коллектор², ²затвор². В IGBT-транзисторах с изолированным затвором имеется две биполярные структуры p-n-p-типа и n-p-n-типа. Названия выводов IGBT-транзистора с изолированным затвором может представиться непривычным (особенно относительно коллектора, так как он фактически подключен к эмиттеру силового биполярного транзистора p-n-p-типа) и тем не менее эти названия общеприняты.