появились монолитные приборы, реализующие идею совмещения биполярных и МДП-транзисторов. Эти приборы получили за рубежом название IGBT (биполярных транзисторов с полевым управлением). Серийно такие приборы первой стала выпускать фирма IXYS [5].

Структура приборов IGBT (рис. 1.13, а) содержит в стоковой области дополнительный р+-слой. В результате образуется дополнительный р-п-р биполярный транзистор с предельно большой площадью (рнс. 1.13,6). Потен-

щ(Фсе)

бе к

6Э б) nlCBT

Рис. 1.13. Структура (а), эквивалентная схема (б) и обозначение (в) приборов типа пШВТ

циал базы р-п-р транзистора всегда выше потенциала коллектора, что затрудняет насыщение транзистора. Ток стока МДП-траизнстора усилен биполярным транзистором в (/i2i+I) раз. При включенном биполярном транзисторе в --область идут встречные потоки носителей (электронов н дырок), что ведр- к модуляции (падению) сопротивления --области н дополнительному уменьшению остаточного напряжения t/си вкл. Серийные модули IGBT при {7кЭмакс=1 ... 1,2 кВ обеспечивают переключение токов до 200... 300 А При этом входные емкости приборов меньше, чем были бы у мощных МДП-транзисторов с аналогичными токами.

Благодаря сравнительно малым разбросам параметров t/o н S мощных МДП-транзисторов их легко можно включать параллельно. Многие фнрмь; выпускают силовые модули на основе мощных МДП-траизисторов. Характерной особенностью таких модулей являются рекордные значения Rz вк.-(до тысячных долей ома) н Ррас (до 5 кВт). Это открывает возможности применения таких модулей в крупных энергопотребляющих объектах, например подвижном электротранспорте, на электрохимическом производстве и др. На рис. 1.14 представлены данные о достигнутом уровне параметров современных мощных ПТ и модулей на их основе.

Силовые модули нередко разрабатываются с встроенными схемами запуска мощных ПТ и устройствами защиты от перегрузок по току и напряжению. Это позволяет считать, что наступил период внедрения разумных мощных ПТ и модулей, автоматически подстраивающихся под сложные и

KWMSDJS

tffXmo-f20

У LJ-п мдл-т

Sjjezfsfifooz / о--р ffM/J-T

-НДЛ-Т(М)

---п IGBT

М---ISBT(M)

то u fos,B

Рнс. 1.4. Диаграмма энергетических параметров мощных ПТ различного типа и модулей (М) на их основе

разнообразные условия эксплуатации. Представителем разумных приборов является модуль BTS412A, построенный на базе SIMPOS транзисторов [32]. Прибор рассчитан на напряжения 12 и 24 В и автоматически выключается при коротком замыкании нагрузки через 40 мкс. В прибор встроен датчик температуры, выключающий прибор, если температура канала мощного SIMPOS прибора достигает 150° С. Схема запуска позволяет запускать модуль с выхода ТТЛ-микросхем (с напряжением питания 5 В) и обрабатывать с помощью микропроцессора аварийные ситуации.

В [31] описаны и более простые высоковольтные разумные приборы с датчиками перегрева н системой защиты от него. По-видимому, можно ожидать в ближайшем времени выпуска полностью интегрированных систем, содержащих силовые ключи, широтно-импульсные или резонансные устройства управления и, возможно, даже микропроцессорные средства контроля за работой модулей.

1.6. Арсенид-галлиевые мощные СВЧ-полевые транзисторы

Мощные ПТ дальнего СВЧ-диапазона в еднницы-десятки гигагерц образуют самостоятельную ветвь в развитии ПТ. Они выпускаются в виде арсеннд-галлиевых (GaAs) ПТ с затвором Шоткн (ПТШ). Подвижность электронов у GaAs в несколько раз выше, чем у кремния. Поэтому прнме-

2-4462

БИг,/1:;отнкА

нение GaAs обеспечивает существенное увеличение рабочих частот ПТ. В то же время рабочие напряления СВЧ-транзисторов на основе GaAs до сих пор не удалось поднять выше 8... 12 В, поэтому рост мощности достигается в основном за счет увеличения рабочих токов. Как и у кремниевых мощных ПТ, с этой целью используется разветвленная структура приборов, илн на одно.м кристалле создается множество элементарных структур.

На рнс. 1.15 представлен вертикальный разрез мошных ПТШ с элементарной структурой. Прибор содержит активный слой с проводимостью п-типа, созд?ннь:й на полуизолирующей подложке (удельное сопротивление р>10 Ом-см). Поверх активного слоя (с концентрацией примеси N={1.. ...7)-10 см~) нанесен высоколегированный слой GaAs (п+-контактный слой с V= (2 ... 4) IDS см-з). Исток исток создаются металлизацией этого слоя. В середине структуры в углублении создается металлизированная область затвора.

На рис. 1.1Й гсхазян внд сверху на гребенчатую структуру типичного GaAs мощного ПТШ. Наибо.чее мощные ПТШ могут содержать до нескольких подоб11;:х г.р!!боэов в одном корпусе. Обычно в приборы встраиваются

Нсто/< Затбор

Стон

Слои

Ишо/1/

Сто/г

Memoft

6,9±0,t5

/кристалл So As

Сток гочяа

nap/ti/po6ovfiitjr

Рис. 1.15. Элементарная структура СВЧ ПТ с барьером Шотки на основе GaAs

Рис. 1.16. Внд сверху на гребенчатук. структуру СВЧ GaAs мощного полевого транзистора с барьером Шотки

специальные цепн согласования, обеспечивающие максимальный коэффициент передачи по мощности в заданной полосе частот (обычно отношение /..11с и1.н = 2. ..3). Корпус (рнс. 1.17) GaAs мощного ПТШ имеет малые габаритные размеры н полосковые выводы, обеспечивающие минимальную паразитную индуктивность. Корпус рассчитай на монтаж в гнбридно-пле-ночиые микросхемы н установку на теплоотводящем радиаторе.

В табл. 1.4 приведены основные данные об отечественных мощных GaAs ПТШ [2, 33, 35]. Данные о некоторых типах зарубежных мощны.х ПТШ указаны в [3, 35, 36]. Мощные ПТ на основе GaAs являются в основном генераторными приборами. Их прнменеине - уснлителн н генераторы СВЧ, аппаратура спутникового телевидения, раднопередатчикн СВЧ н др-В то же время эти приборы перспективны для построения субнаносекунд-ных низковольтных импульсных н ключевых устройств с временами переключения до 30... 50 ПС при переключаемых токах в доли ампер н дс 0,5 НС при переключаемых токах до 10 А (прибор ЗП915).

Рис. 1.17. Корпус GaAs СВЧ мощного полевого транзистора С барьером Шоткн ЗП603

Таблица 1.4. Параметры отечественных мощных ПТШ

/, ГГц

5,7... 6,9 18

3.7... 4 4,3... 4.8 3.7... 4,2

Глава 2.

Основные характеристики и модели мощных полевых транзисторов

2.1. Вольт-амперные характеристики мощных полевых-транзисторов

Статические вольт-ампериые характеристики (ВАХ) мощных ПТ описывают зависимость постоянных токов стока, истока и затвора от между-электродиых напряжений. ВАХ оказываются существенно нелинейными. Наиболее важны три типа ВАХ.

Входные ВАХ описывают зависимость тока затвора laiUan) от напряжения иа затворе при LCH=const. При разных UcH имеем семейство входных ВАХ.

Выходные ВАХ описывают зависимость тока стока !(. (1/) от напряжения иа стоке (/(-и при разных f/3j = const.

Передаточные ВАХ описывают зависимость тока стока 1 (зи) от напряжения на затворе С/у при разных £/cH = const.

Для мощных МДП-траизисторов эти ВАХ показаны иа рис. 2.1. Входные токи у таких транзисторов (благодаря изоляции затвора) ничтожно

Рис. 2.1. Семейства статических ВАХ мощного МДП-траизистора:

а - входные; б - выходные; в - передаточные малы, и их измерение проблематично. Поэтому входные ВАХ таких приборов (рис. 2.1, а) обычно ие приводятся. Иногда указывается ток утечки затвора /Зут, характеризующий качество изоляции затвора. Этот ток в рабочем диапазоне значений напряжения U3H очень мал. Для приборов КП902 ои меньше 3 нА. При больших (/зи >0 наблюдается резкий рост тока / 3 вследствие пробоя диэлектрика затвора или кремниевого стабилитрона, защищающего цепь затвора от пробоя. Рост / з может наблюдаться н при (/зи<0 вследствие отпирания защитного стабилитрона (при (/зи<0 ои смещен в прямом направлении). Такой стабилитрон встроен в структуру приборов. Каждая кривая семейства выходных ВАХ (рис. 2.1,6) имеет три характерные области, плавно переходящие друг в друга; резкого изменения /с с ростом иен (крутая область) при малых Ucn, плавного изменения /с при больших (/си (пологая область) и резкого роста /с при больших (/си, достигающих уровня электрического пробоя. Третья область является нерабочей, и следует избегать работы в ней в любых схемах, так как пробой мощных МДП-транзисторов выводит их из строя.

Наклон зависимостей /с ((/си) характеризуется дифференциальным внутреииим сопротивлением

C/3pi=const.

(2.1)

Это сопротивление можно определить для любой заданной рабочей точки (f/зи, (/си), определяющей значение /с. На крутых участках BAXi?,~l/S, и так как крутизна S велика (доли-единицы ампер иа 1 В), то Л, имеет порядок долей-единиц ом. В пологой области ВАХ величина Ri возрастает до единиц-десятков килоом.

Семейство передаточных характеристик (рис. 2.1,8) также сильно нелинейно, хотя многие типы мощных МДП-транзисторов, особенно с горизонтальным каналом (КП901, КП902, КП904, КП905, КП907, КП908 и др.), имеют близкую к линейной среднюю часть передаточных ВАХ. С помощью передаточных ВАХ определяется низкочастотная малосигнальиая крутизна;

C/3PI-=consf. f/Cp]=cons*

(2.2)

Ее значение также зависит от положения рабочей точки. При запирании транзисторов ((/зи<(/о) и при ограничении роста /с значение So-O.

Динамические передаточные характеристики (ДПХ) определяют зависимость /с ((/зи ) для схемы рис. 2.2 с резисториой нагрузкой. В этом случае изменение (/зи сопровождается изменением напряжения (/си = = (/п-/с ((/зи, (/си)Лс. Для построения ДПХ можно воспользоваться семейством выходных ВАХ. Построив иа нем линию нагрузки резистора Rz. можно найти ряд точек пересечения ее с кривыми В.\Х для различных (7зи i (г=1, 2,...). Перенеся значения тока /с для этих точек иа плоскость (/с, (/зи), получим ДПХ (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Схема с общим исто- Рис. 2.3. Динамическая передаточная ком иа мощном МДП-тран- характеристика схемы рис. 2.2 вида зисторе /c = f((/-H)

Можно построить ДПХ и в плоскости ((/си , (/зи). В этом случае ДПХ характеризует зависимость напряжения иа стоке Уси от напряжения иа затворе (/зи. Падающий участок этой ДПХ (рис. 2.4) указывает иа то, что схема иа рис. 2.2 выполняет функции инвертора.

Динамические передаточные характеристики часто используются при анализе электронных схем. Например, с помощью ДПХ можно рассчитать коэффициент нелинейных искажений в усилительных схемах. Наклон ДПХ (рис. 2.4) в средней части характеризует дифференциальный коэффициент усиления каскада (см. рис. 2.2) в линейном режиме работы;

Д си

й зи~Д зи

S{Rc\\Ri)-

(2.3)

Семейства выходных и передаточных ВАХ мощных .МДП-траизисторов обычно приводятся в справочной литературе [2, 17-23]. Теоретическому анализу ВАХ посвящен ряд работ. При этом можно выделить три характерных подхода; применение результатов анализа маломощных МДП-тран-зисторов, разработка уточненных моделей (учитывающих частично специфику работы мощных приборов) и применение аппарата формальной аппроксимации ВАХ.