Структура и принцип действия БТИЗ

Биполярные транзисторы с изолированным затвором ( БТИЗ)или IGBT-транзисторы

БТИЗ или (IGBT), --- полупроводниковый прибор, созданный путём совмещения структур биполярного транзистора (BJT; БТ) и полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ; MOSFET).

Ниже представлена классификация силовых полупроводниковых элементов по структуре и принципу действия, в которую входят БТИЗ:

У биполярного транзистора (БТ) много преимуществ

Малые габариты и малый вес, позволяющие делать миниатюрные электронные устройства.

Легко автоматизируемый процесс производства

Низкие рабочие напряжения, делающие транзисторы пригодными в схемах, где источниками питания являются батарейки.

. Долгий срок службы (до 30 лет).

Нечувствительность к вибрациям.

Возможность построения интегральных схем из множества транзисторов.

Немного повторения

Рассмотрим некоторые процессы, протекающие внутри БТ, так как их понимание важно для успешного освоения материала, связанного с БТИЗ.

БТ содержит два p-n перехода. Между p-областью и n-областью происходит диффузия: электроны из n-области переходят в p-область, a дырки из p-области переходят в n-область. В результате создаётся электрический ток, имеющий электронную и дырочную составляющие.

При уходе дырок из p-области в ней остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторов, зафиксированных в кристаллической решётке основного полупроводника. Поясним, что акцепторная примесь создаёт в кристалле полупроводника дополнительные свободные носители тока --- дырки, заряд которых считается положительным. Например, такой примесью будет трёхвалентный бор в кристаллической решётке четырёхвалентного кремния: при добавлении такой примеси получается дырочный полупроводник, иными словами, полупроводник p--типа.

В свою очередь, при уходе электронов из n--области, в ней остаётся нескомпенсированный положительный заряд ионов доноров, зафиксированных в кристаллической решётке основного полупроводника. Донорная примесь создаёт в полупроводнике дополнительные носители тока --- электроны, заряд которых считается отрицательным. К примеру, донорный пятивалентный атом мышьяка, будучи добавленным в кристаллическую решётку четырёхвалентного кремния, удерживает пятый свой электрон слабее, чем те четыре, что связаны с атомами кремния. В результате, образуется дополнительное количество свободных электронов, оторвавшихся от атома мышьяка. Наличие дополнительных свободных электронов в полупроводнике, способствует тому, что встречи дырок со свободными электронами (рекомбинация) происходят чаще и, таким образом, дырок в полупроводнике n--типа (электронном полупроводнике) оказывается меньше, чем в полупроводнике без примесей (собственном полупроводнике), а свободных электронов --- больше.

Если полярность контактного поля и поля внешнего источника совпадают (обратное включение p--n перехода) происходит увеличение потенциального барьера, который нужно преодолеть основным носителям заряда и, как следствие, p--n переход условно считается закрытым --- ток основных носителей заряда останавливается потенциальным барьером и в переходе протекает лишь очень малый дрейфовый ток (ток неосновных носителей, движущихся в полупроводнике хаотично и в малых количествах).

Рассмотрев свойства p--n переходов, перейдём к вопросу о том, почему БТ не подходит для использования в некоторых устройствах.

Недостатки БТ

Невысокая скорость коммутации. Из-за значительной величины времени запирания БТ не могут переключаться с частотой более 10 кГц.

Возможность теплового пробоя при отсутствии ограничения тока коллектора. Такое возможно и без предварительного электрического пробоя.

Необходимость относительно большого тока базы для включения. Напряжение насыщения цепи эмиттер -- коллектор ограничивает минимальное рабочее напряжение.

Наличие токового "хвоста" при запирании: ток не спадает мгновенно после закрытия транзистора (ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления);

Чувствительность к температуре

Помимо всего прочего, биполярный транзистор, как и все силовые полупроводниковые приборы характеризуется предельными параметрами, значение которых не рекомендуется превышать.

это:

максимальные напряжения;

максимальные токи;

максимальная мощность рассеяния.

В 50-е годы XX века началось активное развитие технологий создания полевых транзисторов (ПТ). Сначала широкое распространение получили ПТ с управляющим p-n переходом. В 60-х годах появились (ПТ) с изолированным затвором (ПТИЗ). или (MOSFET)/

Ниже представлены условные обозначения разных типов полевых транзисторов.

Стрелка на условном обозначении указывает направление от слоя p к слою n.

В ПТИЗ используется структура состоящая из металла и полупроводника, разделённых слоем окисла (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).

Если подать на затвор ПТИЗ напряжение положительное относительно подложки, электрическое поле оттолкнёт дырки, находящиеся близко к поверхности затвора вглубь подложки, а электроны притянет. В момент когда на затворе достигается пороговое напряжение, под затвором образуется область, где электронов становится достаточно, чтобы произошла инверсия типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника: между n-областями стока и истока образуется индуцированный канал n типа, по которому движутся электроны. Иными словами, ПТИЗ с индуцированным каналом открывается ,если напряжение затвор-исток превышает некоторый пороговый уровень.

В ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении затвор-исток под затвором уже существует специальный инверсный слой, получаемый ионным легированием. Таким образом, проводящий канал сток-исток изначально открыт и управляется напряжением, подаваемым на затвор.

Канал ПТИЗ, как встроенный, так и индуцированный (наведённый), может быть n-типа или p-типа. В n-канальных ПТИЗ, которые в современных устройствах встречаются чаще, чем p-канальные, сток и исток являются сильно легированными n-областями. Подложка --- p-областью.

ПТИЗ обладает следующими достоинствами по сравнению с БТ:

ПТИЗ управляется не током, а напряжением. ПТ --- это потенциальный прибор: перевод его из закрытого в открытое состояние и наоборот осуществляется если создать разность потенциалов между затвором и истоком. Таким образом, управление состоянием транзистора производится электрическим полем, а не током. В момент переключения ток в цепи затвора протекает лишь в течение малого промежутка времени. Управление напряжением снижает мощность, необходимую для переключения транзистора из одного состояния в другое.

Скорость выключения ПТИЗ выше, чем у БТ. В базу БТ, в процессе его работы, инжектируются неосновные носители заряда. До того как истечёт время рассасывания этих зарядов транзистор остаётся в открытом состоянии и коллекторный ток сохраняется. После рассасывания неосновных носителей заряда, начинают спадать ток базы и ток коллектора. Для ускорения запирания биполярного транзистора к его базе может быть приложено обратное напряжение, что, однако, усложняет схему.

Параметры ПТИЗ меньше зависят от температуры, чем параметры БТ.

Благодаря использованию многоячеистых интегральных схем в ПТИЗ удаётся значительно снизить пороговое напряжение для преодоления потенциального барьера (контактного поля, о котором говорилось выше) p-n перехода и переключения транзистора в рабочий режим.

Несмотря на наличие недостатков, технологии, используемые при создании ПТИЗ продолжают развиваться.].

Появление БТИЗ

Дискретная реализация побистора (от слов полевой и биполярный транзистор) --- прибора, сочетающего свойства БТ и ПТИЗ была сделана советскими учёными в 1978 году Западные исследователи разработали подобный прибор в 1979 году он получил название IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) и, на сегодняшний день, широко распространён во всём мире. Один из IGBT-модулей компании Mitsubishi показан ниже на рисунке.

Рисунок:IGBT_3300V_1200A_Mitsubishi.jpg.

Далее представлены условные графические обозначения БТИЗ, используемые на принципиальных схемах различными разработчиками электронных устройств (подробнее см. [TakesuyeDeuty1995]):

К 2010 году уже появились шесть поколений БТИЗ. Рабочие показатели БТИЗ с переходом от поколения к поколению меняются следующим образом

увеличивается коммутируемое напряжение;

растут допустимые токи для БТИЗ в модульном исполнении;

увеличивается частота коммутации (время включения/выключения уменьшается);

у меньшается прямое падение напряжения на приборе.

Структура и принцип действия БТИЗ

Классический БТИЗ представляет собой дополненный ещё одним p--n переходом мощный ПТИЗ (Power MOSFET) с вертикальной структурой.

Дополнительный p--n переход инжектирует дырки в нижний слой n--типа. Таким образом, значительно снижается сопротивление этого слоя: напряжение коллектор--эмиттер становится много меньше по сравнению с тем, что имеет место в мощном ПТИЗ. В этом и заключается главное преимущество БТИЗ над мощным ПТИЗ.

IGBT_cross_section.svg).