Разное

Транзистор igbt: Оригинальные IGBT транзисторы по оптовым ценам

- от alexxlab - Комментировать

Содержание

Как работает транзистор [ПРОСТО И КРАТКО]

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный.

В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Другие материалы по теме


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов.

Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


Power Electronics • Просмотр темы

многие спрашивают какие транзисторы IGBT куда ставить,чем их заменить,какие лучше,попробую обьяснить по своей практике. FGh50N60SMD -сильно греются в жару выносливые,можно в косой мост я не раз ставил с демонтажа полет нормальный. в полном мосту стоят по умолчанию горят как семечки. скорее всего невыдерживает внутрений диод и кристал обратного индукционного напряжения а также скачков напряжения сети.

SGW30N60HS редкие мне не встречались,кто не жалеет ставьте.

RJH60F5,RJH60F7ADPK в основном с часовым механизмом 340 + — 2 дня по окончании гарантиивылет,сужу по отзывам пользователей. при 160А ставят по 2 в плечё. и 200А тоже количество в аппараты на заводе подбирают по парно а нелеквид на продажу.отзывы о них у поставщиков плохие.первые сервисы забраковали. вторые прекрасно меняют IRGP4068D.

IRG4PC50W помоему копия FGh50N60SMD только без диода.стали подделывать перемаркер такого качества что не отличиш а может и китай штампует копию,партия от партии отличается по напряжению так я заметил.на качественных 1 год работал возвратов небыло. IRGP50B60PDPbF неплохо показали себя в полном мосту допускают паралельного включения. в косой мост ставить не рекомендую перегреваются частые вылеты сужу по пристижам.цена дорогая 350р

HGTG30N60A4 отличные транзисторы для косого моста. в полном мосту их не встречал.не раз ставил в косой мост возвратов не было. но цена от 300р.с буквой D тоже неплохие.

IRGP4068D отличные универсальные транзисторы. я их ставлю в косые мосты ставлю приэтом штатный внешний диод и в мостовые схемы, выносливые,меньше греются цена оптовая не менее 150р.не зря тэлвин разрешил из ставить в свою технику,возвратов с ними не наблюдал.в данный момент на краснодарском радиорынке остерегаются этого названия сплошной перемаркер да и по всей россии наверно не говорю об интернет магазинах последний раз видел с поставкой из москвы демонтированые выдовавшие за новые но парные с одной партии не подбереш,я свои заказ ждал полтора года пока поставщик нашел контору которая поставляет оригинал.этот транзистор является братом IRGP4063D который чуть дороже называется он самый красивый транзистор на этом сайте,лично я красивей не видел если при солнечном свете помотреть на его передний полированный квадрат со стороны и не увидеть темно синего яркого зеркала как переженная стружка с токарного станка то перед вами подделка.он есть в продаже и его пока не подделывают насколько мне известно я от 100 штук беру по 180р. розницой меньше 200р. я не встречал в продаже.будьте бдительный.
в некоторых аппаратах стоят мощные транзисторы например 60N60/80N60 с разными сериями и производителями мощность расеиванми у них такаяже не выше обычно они медленые по скорости переключения что вызывает перегрев,напряжения насыщения эмитер колектор 2 вольта и выше что увеличивает нагрев и главное тяжелый с большой емкостью затвор, на высокой частоте нужны большие токи управлением затвором что не может обеспечить штатный драйвер. иногда лучше поставить два транзистора в паралель и отдельные резисторы в затвор минимальной длины проводников чем искать аналог редкого транзистора.не используйте транзисторы с напряжением выше 600 вольт нагрев его будет выше и все сторания будут напрасны.

Транзистор — Википедия

Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводнико́вый трио́д — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами[1], способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности[2].

Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора

[3], управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком.
Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется напряжением, а не током. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники. Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться Частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.

На принципиальных схемах транзистор обычно обозначается «VT» или «Q» с добавленим позиционного индекса, например, VT12. До 1970-х гг. в русскоязычной литературе и документации также применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Изобретение транзистора, являющееся одним из важнейших достижений XX века[4], стало следствием длительного развития полупроводниковой электроники, которое началось в 1833 году, когда Майкл Фарадей провёл первые эксперименты с полупроводниковым материалом — сульфидом серебра.

В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил явление односторонней проводимости контакта металл—полупроводник.

В 1906 году инженер Гринлиф Виттер Пиккард изобретает точечный полупроводниковый диод-детектор.

В 1910 году английский физик Уильям Икклз (англ.)русск. обнаружил у некоторых полупроводниковых диодов способность генерировать электрические колебания, а инженер Олег Лосев в 1922 году самостоятельно разработал диоды, обладающие при некоторых напряжениях смещения отрицательным дифференциальным сопротивлением, с помощью которых впервые успешно использовал усилительные и генераторные свойства полупроводников (Кристадинный эффект), в детекторных и гетеродинных радиоприёмниках собственной конструкции.

Особенностью этого периода развития было то, что физика полупроводников была ещё плохо изучена, все достижения являлись следствием экспериментов, учёные затруднялись объяснить, что происходит внутри кристалла, часто выдвигая ошибочные гипотезы.

В то же время на рубеже 1920—1930 годов в радиотехнике началась эпоха бурного индустриального развития электронных ламп, физика которых была изучена, и в этом направлении работала основная масса учёных-радиотехников, в то время как хрупкие и капризные полупроводниковые детекторы открытой конструкции, в которых нужно было при помощи металлической иглы вручную искать на кристалле «активные точки», стали уделом кустарей-одиночек и радиолюбителей, строивших на них простейшие радиоприемники. Потенциальных перспектив полупроводников никто не видел.

Создание биполярного и полевого транзисторов произошло разными путями.

Полевой транзистор

Первый шаг в создании полевого транзистора сделал австро-венгерский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд, который предложил метод управления током в образце путём подачи на него поперечного электрического поля, которое, воздействуя на носители заряда, будет управлять проводимостью. Патенты были получены в Канаде (22 октября 1925 года) и Германии (1928 год)[5][6].

В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. в Великобритании также запатентовал «бесконтактное реле», основанное на аналогичном принципе. Однако несмотря на то, что полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля и по протекающим в них физическим процессам проще биполярных, создать работоспособный образец полевого транзистора долго не удавалось.

Разработчики не могли обойти неизвестные на тот момент явления в поверхностном слое полупроводника, которые не позволяли управлять электрическим полем внутри кристалла у транзисторов такого типа (МДП-транзистор — металл, диэлектрик, полупроводник). Работоспособный полевой транзистор был создан уже после открытия биполярного транзистора. В 1952 году Уильям Шокли теоретически описал модель полевого транзистора другого типа, модуляция тока в котором, в отличие от ранее предложенных МДП[7] структур, осуществлялась изменением толщины проводящего канала за счёт расширения или сужения обеднённой области, прилегающего к каналу р-n-перехода. Это происходило при подаче на переход управляющего напряжения запирающей полярности затворного диода. Транзистор получил название «полевой транзистор с управляющим р-n-переходом» (мешающие работе поверхностные явления устранялись, так как проводящий канал находился внутри кристалла).

Первый полевой МДП-транзистор, запатентованный ещё в 1920-е годы и сейчас составляющий основу компьютерной индустрии, впервые был создан в 1960 году после работ американцев Канга и Аталлы, предложивших в качестве слоя затворного диэлектрика формировать на поверхности кремниевого кристалла с помощью окисления поверхности кремния тончайший слой диоксида кремния, изолирующий металлический затвор от проводящего канала, такая структура получила название МОП-структура (Металл-Окисел-Полупроводник).

В 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной[8]

Биполярный транзистор

Копия первого в мире работающего транзистора

В отличие от полевого, первый биполярный транзистор создавался экспериментально, а его физический принцип действия был объяснён уже позднее.

В 1929—1933 гг., в ЛФТИ, Олег Лосев под руководством А. Ф. Иоффе провёл ряд экспериментов с полупроводниковым устройством, конструктивно повторяющим точечный транзистор на кристалле карборунда (SiC), однако достаточного коэффициента усиления получить тогда не удалось. Изучая явления электролюминесценции в полупроводниках, Лосев исследовал около 90 различных материалов, особенно выделяя кремний, и в 1939 году он вновь упоминает о работах над трёхэлектродными системами в своих записях, но начавшаяся война и гибель инженера в блокадном Ленинграде зимой 1942 года привели к тому, что некоторые его работы оказались утеряны и сейчас неизвестно, насколько далеко он продвинулся в создании транзистора. В начале 1930-х годов точечные трёхэлектродные усилители изготовили также радиолюбители Ларри Кайзер из Канады и Роберт Адамс из Новой Зеландии, однако их работы не были запатентованы и не подвергались научному анализу[4].

Успеха добилось опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph, с 1936 года в нём, под руководством Джозефа Бекера, работала группа ученых специально нацеленная на создание твердотельных усилителей. До 1941 года изготовить полупроводниковый усилительный прибор не удалось (предпринимались попытки создания прототипа полевого транзистора). После войны, в 1945 году, исследования возобновились под руководством физика-теоретика Уильяма Шокли, после ещё 2 лет неудач, 16 декабря 1947 года, исследователь Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала. Последующее изучение открытия, совместно с теоретиком Джоном Бардиным показало, что никакого эффекта поля нет, в кристалле идут ещё не изученные процессы, это был не полевой, а неизвестный прежде, биполярный транзистор. 23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета изделия руководству фирмы, эта дата стала считаться датой рождения транзистора. Узнав об успехе, уже отошедший от дел Уильям Шокли, вновь подключается к исследованиям и за короткое время создает теорию биполярного транзистора, в которой уже наметил замену точечной технологии изготовления, более перспективной, плоскостной.

Первоначально новый прибор назывался «германиевый триод» или «полупроводниковый триод», по аналогии с вакуумным триодом — электронной лампой схожей структуры, в мае 1948 года в лаборатории прошел конкурс на оригинальное название изобретения, в котором победил Джон Пирс (John R. Pierce), предложивший слово «transistor», образованное путём соединения терминов «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор) или, по другим версиям, от слов «transfer» — передача и «resist» — сопротивление.

30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприемник. И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.

В 1956 году Уильям Шокли (en:William Shockley), Уолтер Браттейн (en:Walter Houser Brattain) и Джон Бардин (en:John Bardeen) были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта»[9]. Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии вторично за создание теории сверхпроводимости.

Создание биполярного транзистора в Европе

Параллельно с работами американских ученых, в Европе, биполярный транзистор был создан физиком-экспериментатором Гербертом Матаре (en:Herbert Mataré) и теоретиком Генрихом Велкером (en:Heinrich Welker). В 1944 году, Герберт Матаре, работая в фирме Телефункен, разработал полупроводниковый «дуодиод» (двойной диод), который, конструктивно был похож на будущий точечный биполярный транзистор. Прибор использовался в качестве смесителя в радиолокационной технике, как два, близких по параметрам, выпрямительных точечных диода, выполненных на одном кристалле германия. Тогда же Матаре впервые обнаружил влияние тока одного диода на параметры другого и начал исследования в этом направлении. После войны Герберт Матаре, в Париже, встретился с Иоганном Велкером, где оба физика, работая в филиале американской корпорации Westinghouse Electric, продолжили эксперименты над дуодиодом в инициативном порядке. В начале июня 1948 года, ещё не зная о результатах исследований группы Шокли в Bell Labs, они на основе дуодиода создали стабильно работающий биполярный транзистор, который был назван «транзитрон», однако, патентная заявка на изобретение, отправленная в августе 1948 года, рассматривалась французским бюро патентов очень долго и только в 1952 году был получен патент на изобретение. Серийно выпускаемые фирмой Westinghouse транзитроны, несмотря на то что по качеству они успешно конкурировали с транзисторами, также не смогли завоевать рынок и вскоре работы в этом направлении прекратились[4].

Развитие транзисторных технологий

Несмотря на миниатюрность и экономичность, первые транзисторы отличались высоким уровнем шумов, маленькой мощностью, нестабильностью характеристик во времени и сильной зависимостью параметров от температуры. Точечный транзистор, не являясь монолитной конструкцией, был чувствителен к ударам и вибрациям. Фирма-создатель Bell Telephone Laboratories не оценила перспективы нового прибора, выгодных военных заказов не ожидалось и лицензия на изобретение вскоре начала продаваться всем желающим за 25 тыс. долларов. В 1951 году был создан плоскостной транзистор, конструктивно представляющий собой монолитный кристалл полупроводника, и примерно в это

Полевой транзистор — Field-effect transistor

«FET» перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см FET (значения) . Вид в разрезе полевого транзистора, показывающий выводы истока , затвора и стока

Полевой транзистор ( полевой транзистор ) представляет собой тип транзистора , который использует электрическое поле , чтобы контролировать поток тока . Полевые транзисторы — это устройства с тремя выводами: исток , затвор и сток . Полевые транзисторы управляют потоком тока путем приложения напряжения к затвору, которое, в свою очередь, изменяет проводимость между стоком и истоком.

Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, поскольку они работают с одной несущей. То есть полевые транзисторы используют в качестве носителей заряда либо электроны, либо дырки , но не то и другое вместе. Существует много различных типов полевых транзисторов. Полевые транзисторы обычно демонстрируют очень высокий входной импеданс на низких частотах. Наиболее широко используемым полевым транзистором является MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

История

Концепция полевого транзистора (FET) была впервые запатентована австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но им не удалось создать работающее практическое полупроводниковое устройство на основе этой концепции. Эффект транзистора был позже обнаружен и объяснен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, вскоре после истечения 17-летнего срока действия патента. Первоначально Шокли пытался построить рабочий полевой транзистор, пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и материалами соединений германия и меди . В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, это привело к тому, что Бардин и Браттейн вместо этого в 1947 году создали точечный транзистор , за которым в 1948 году последовал биполярный транзистор Шокли .

Первым успешно построенным полевым транзистором стал переходный полевой транзистор (JFET). JFET был впервые запатентован Генрихом Велкером в 1945 году. Транзистор статической индукции (SIT), тип JFET с коротким каналом, был изобретен японскими инженерами Дзюн-ичи Нисидзава и Ю. Ватанабе в 1950 году. JFET в 1952 году, рабочий практический JFET был построен Джорджем Ф. Дейси и Яном М. Россом в 1953 году. Однако у JFET все еще были проблемы, влияющие на переходные транзисторы в целом. Переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало их ряд специализированных приложений. Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) теоретически рассматривался как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли создать работающие IGFET-транзисторы, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал. К середине 1950-х исследователи в значительной степени отказались от концепции полевых транзисторов и вместо этого сосредоточились на технологии биполярных переходных транзисторов (BJT).

Основы технологии MOSFET были заложены работами Уильяма Шокли , Джона Бардина и Уолтера Браттейна . Шокли независимо друг от друга представил концепцию полевого транзистора в 1945 году, но он не смог построить работающее устройство. В следующем году Бардин объяснил свою неудачу поверхностными состояниями . Бардин применил теорию поверхностных состояний к полупроводникам (предыдущие работы по поверхностным состояниям были выполнены Шокли в 1939 году и Игорем Таммом в 1932 году) и понял, что внешнее поле блокируется на поверхности из-за дополнительных электронов, которые притягиваются к поверхности полупроводника. Электроны попадают в эти локализованные состояния, образуя инверсионный слой. Гипотеза Бардина ознаменовала рождение физики поверхности. Затем Бардин решил использовать инверсионный слой и использовать его вместо очень тонкого слоя полупроводника, который Шокли предусматривал в своих конструкциях полевых транзисторов. Основываясь на своей теории, в 1948 году Бардин запатентовал прародителя MOSFET — полевого транзистора с изолированным затвором (IGFET) с инверсионным слоем. Инверсионный слой ограничивает поток неосновных носителей, увеличивает модуляцию и проводимость, хотя его перенос электронов зависит от изолятора затвора или качества оксида, если он используется в качестве изолятора, нанесенного над инверсионным слоем. Патент Бардина, а также концепция инверсионного слоя составляют основу современной КМОП-технологии. В 1976 году Шокли описал гипотезу Бардина о состоянии поверхности «как одну из самых значительных исследовательских идей в программе полупроводников».

После теории состояния поверхности Бардина эта троица попыталась преодолеть влияние поверхностных состояний. В конце 1947 года Роберт Гибни и Браттейн предложили использовать электролит, помещенный между металлом и полупроводником, чтобы преодолеть эффекты поверхностных состояний. Их устройство на полевых транзисторах работало, но усиление было плохим. Бардин пошел дальше и предложил сосредоточиться на проводимости инверсионного слоя. Дальнейшие эксперименты привели к замене электролита твердым оксидным слоем в надежде получить лучшие результаты. Их целью было проникнуть в оксидный слой и попасть в инверсионный слой. Однако Бардин предложил им перейти с кремния на германий, и при этом их оксид случайно смылся. Наткнулись на совершенно другой транзистор, точечный транзистор . Лилиан Ходдесон утверждает, что «если бы Браттейн и Бардин работали с кремнием вместо германия, они бы наткнулись на успешный полевой транзистор».

К концу первой половины 1950-х годов после теоретических и экспериментальных работ Бардина, Браттейна, Кингстона, Моррисона и других стало более ясно, что существует два типа поверхностных состояний. Было обнаружено, что быстрые поверхностные состояния связаны с объемом и границей раздела полупроводник / оксид. Было обнаружено, что медленные поверхностные состояния связаны с оксидным слоем из-за адсорбции атомов, молекул и ионов оксидом из окружающей среды. Последние оказались гораздо более многочисленными и имели гораздо более длительные времена релаксации . В то время Фило Фарнсворт и другие разработали различные методы получения атомарно чистых полупроводниковых поверхностей.

В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Деррик случайно покрыли поверхность кремниевой пластины слоем диоксида кремния . Они показали, что оксидный слой предотвращает попадание одних примесей в кремниевую пластину, в то время как допускает другие, таким образом обнаруживая пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. Их дальнейшая работа продемонстрировала, как вытравить небольшие отверстия в оксидном слое для диффузии легирующих примесей в выбранные области кремниевой пластины. В 1957 году они опубликовали исследовательскую работу и запатентовали свою методику, обобщающую их работу. Разработанный ими метод известен как маскирование диффузии оксидов, которое позже будет использоваться при производстве полевых МОП-транзисторов. В Bell Labs сразу же осознали важность техники Фроша. Результаты их работы распространились по Bell Labs в виде записок BTL до того, как были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли разослал препринт своей статьи в декабре 1956 года всем своим старшим сотрудникам, включая Джина Хорни .

В 1955 году Ян Манро Росс подал патент на FeFET или MFSFET. Его структура была похожа на структуру современного полевого МОП-транзистора с инверсионным каналом, но в качестве диэлектрика / изолятора вместо оксида использовался сегнетоэлектрический материал. Он представлял это как форму памяти за много лет до MOSFET с плавающим затвором . В феврале 1957 года Джон Уоллмарк подал патент на полевой транзистор, в котором моноксид германия использовался в качестве диэлектрика затвора, но он не стал реализовывать эту идею. В другом своем патенте, поданном в том же году, он описал полевой транзистор с двойным затвором . В марте 1957 года в своем лабораторном блокноте Эрнесто Лабате, научный сотрудник Bell Labs , задумал устройство, подобное предложенному позже MOSFET, хотя в устройстве Лабате явно не использовался диоксид кремния в качестве изолятора.

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

Основная статья: MOSFET

Прорыв в исследованиях полевых транзисторов произошел с работой египетского инженера Мохамеда Аталлы в конце 1950-х годов. В 1958 году он представил экспериментальную работу, которая показала, что уменьшение толщины оксида кремния на чистой поверхности кремния приводит к нейтрализации поверхностных состояний. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем .

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET) затем изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в 1959 году полевого МОП — транзистора в значительной степени заменены как биполярный транзистор и JFET, и имел глубокое воздействие на цифровое электронное развитие. Благодаря своей высокой масштабируемости , гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным соединением, MOSFET позволил создавать интегральные схемы с высокой плотностью . MOSFET также может работать с более высокой мощностью, чем JFET. MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений. Таким образом, MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике и коммуникационных технологиях (например, в смартфонах ). По патентам и товарным знакам США называет это «новаторским изобретением , который преобразовал жизнь и культуру во всем мире».

CMOS (дополнительная МОП), процесс изготовления полупроводниковых устройств для полевых МОП-транзисторов, был разработан Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Первый отчет о МОП-транзисторе с плавающим затвором был сделан Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. двойным затвором МОП — транзистор был впервые продемонстрирован в 1984 году электротехнической лаборатории исследователей Тосихиро Sekigawa и Yutaka Hayashi. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского полевого МОП — транзистора с несколькими затворами , возник в результате исследований Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.

Основная информация

Полевые транзисторы могут быть устройствами с основными носителями заряда, в которых ток переносится преимущественно по основным носителям, или устройствами с неосновными носителями заряда, в которых ток в основном возникает из-за потока неосновных носителей. Устройство состоит из активного канала, по которому носители заряда, электроны или дырки , текут от истока к стоку. Проводники истока и стока подключены к полупроводнику через омические контакты . Проводимость канала зависит от потенциала, приложенного к клеммам затвора и истока.

Три терминала FET:

  1. источник (S), через который носители попадают в канал. Обычно, ток , поступающий в канал S обозначается I S .
  2. сток (D), через который носители покидают канал. Обычно, ток , поступающий в канал D обозначается I D . Напряжение сток-исток составляет V DS .
  3. затвор (G), терминал, который модулирует проводимость канала. При подаче напряжения на G, можно контролировать I D .

Подробнее о терминалах

Поперечное сечение полевого МОП-транзистора n-типа

Все полевые транзисторы имеют источник , сливные и воротных терминалы , которые примерно соответствуют эмиттера , коллектора и базы по BJTs . Большинство полевых транзисторов имеют четвертый вывод, называемый корпусом , основанием , массивом или подложкой . Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; это редко , чтобы сделать нетривиальное использование терминала тела в схемных, но его присутствие очень важно при настройке физического расположения в качестве интегральной схемы . Размер затвора, длина L на схеме, — это расстояние между истоком и стоком. Ширина является продолжением транзистора, в направлении , перпендикулярном к поперечному сечению на диаграмме (т.е., в / из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц.

Названия терминалов относятся к их функциям. Терминал ворот можно рассматривать как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор позволяет электронам проходить через или блокирует их прохождение, создавая или устраняя канал между истоком и стоком. На поток электронов от вывода истока к выводу стока влияет приложенное напряжение. Тело просто относится к основной части полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно клемма корпуса подключается к самому высокому или самому низкому напряжению в цепи, в зависимости от типа полевого транзистора. Вывод на корпусе и вывод источника иногда соединяются вместе, поскольку источник часто подключается к наивысшему или наименьшему напряжению в цепи, хотя есть несколько применений полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, например, затворы передачи и схемы каскода .

Влияние напряжения затвора на ток

ВАХ и выходной график n-канального JFET-транзистора. Результат моделирования для правой стороны: формирование канала инверсии (электронная плотность) и левой стороны: кривая напряжения на затворе (передаточные характеристики) в n-канальном MOSFET с нанопроволокой . Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В. Типы условных обозначений FET

Полевой транзистор управляет потоком электронов (или электронных дырок ) от истока к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», создаваемого и находящегося под влиянием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к затвору и истоку. (Для простоты в этом обсуждении предполагается, что корпус и исток соединены.) Этот проводящий канал является «потоком», через который электроны текут от истока к стоку.

n-канальный полевой транзистор

В n-канальном устройстве с «режимом истощения» отрицательное напряжение затвор-исток заставляет область обеднения расширяться по ширине и вторгаться в канал с боков, сужая канал. Если активная область расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока до стока становится большим, и полевой транзистор эффективно выключается, как переключатель (см. Рисунок справа, когда есть очень маленький ток). Это называется «отсечкой», а напряжение, при котором это происходит, называется «отсечкой». И наоборот, положительное напряжение затвор-исток увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь (см. Правый рисунок, когда есть канал проводимости и ток большой).

В n-канальном устройстве с «улучшенным режимом» токопроводящий канал не существует естественным образом внутри транзистора, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение привлекает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточно электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область без мобильных носителей, называемую областью истощения , а напряжение, при котором это происходит, называется пороговым напряжением полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые могут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией .

p-канальный полевой транзистор

В устройстве «обедненного режима» с p-каналом положительное напряжение от затвора к телу расширяет обедненный слой, вынуждая электроны к границе затвор-изолятор / полупроводник, оставляя незащищенной свободную от носителей область неподвижных положительно заряженных акцепторных ионов.

И наоборот, в устройстве «улучшенного режима» с p-каналом проводящая область не существует, и для создания проводящего канала необходимо использовать отрицательное напряжение.

Влияние напряжения сток-исток на канал

Для устройств с расширенным или обедненным режимом при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора изменит сопротивление канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно истока). вольтаж). В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном или омическом режиме.

Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение формы канала из-за градиента потенциала напряжения от истока к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» около дренажного конца канала. При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток точка отсечки канала начинает перемещаться от стока к истоку. Считается, что полевой транзистор находится в режиме насыщения ; хотя некоторые авторы называют его активным режимом для большей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора.Режим насыщения или область между омическим состоянием и насыщением используется, когда необходимо усиление. Промежуточная область иногда считается частью омической или линейной области, даже если ток стока не является приблизительно линейным с напряжением стока.

Несмотря на то, что проводящий канал, сформированный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток со стоком в режиме насыщения, поток носителей не блокируется. Рассматривая снова n-канальное устройство с расширенным режимом, в корпусе p-типа существует обедненная область , окружающая проводящий канал и области стока и истока. Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область обеднения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток. Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию . Любое увеличение напряжения сток-исток увеличит расстояние от стока до точки отсечки, увеличивая сопротивление области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение приводит к тому, что ток сток-исток остается относительно постоянным, независимо от изменений напряжения сток-исток, в отличие от его омического поведения в линейном режиме работы. Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор ведет себя как источник постоянного тока, а не как резистор, и может эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-исток определяет уровень постоянного тока через канал.

Сочинение

Полевые транзисторы могут быть построены из различных полупроводников — кремний является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.

Среди наиболее необычных материалов корпуса — аморфный кремний , поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или органические полевые транзисторы (OFET), основанные на органических полупроводниках ; Часто изоляторы и электроды затворов OFET также изготавливаются из органических материалов. Такие полевые транзисторы производятся с использованием различных материалов, таких как карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и арсенид индия-галлия (InGaAs).

В июне 2011 года IBM объявила, что успешно использовала полевые транзисторы на основе графена в интегральной схеме . Эти транзисторы имеют частоту среза около 2,23 ГГц, что намного выше, чем у стандартных кремниевых полевых транзисторов.

Типы

Полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях: JFET, поликремниевый MOSFET, двухзатворный MOSFET, MOSFET с металлическим затвором, MESFET.

  Истощение

  Электроны

  Отверстия

  Металл

  Изолятор

Вверху: источник, внизу: сток, слева: ворота, справа: объем. Напряжения, которые приводят к образованию каналов, не показаны.

Канал полевого транзистора легирован для получения полупроводника n-типа или полупроводника p-типа. Сток и исток могут быть легированы противоположным типом по отношению к каналу, в случае полевых транзисторов режима улучшения, или легированы легированием аналогичного типа по отношению к каналу, как в полевых транзисторах режима обеднения. Полевые транзисторы отличаются также методом изоляции между каналом и затвором. Типы полевых транзисторов включают:

  • МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор) использует изолятор (обычно SiO 2 ) между затвором и корпусом. Это, безусловно, наиболее распространенный тип полевых транзисторов.
    • DGMOSFET (двухзатворный MOSFET ) или DGMOS, полевой МОП-транзистор с двумя изолированными затворами.
    • IGBT ( биполярный транзистор с изолированным затвором ) — это устройство для управления мощностью. Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, соединенный с биполярным основным проводящим каналом. Они обычно используются в диапазоне рабочего напряжения сток-исток 200–3000 В. Силовые полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
    • MNOS ( транзистор металл-нитрид-оксид-полупроводник ) использует изолятор слоя нитрида-оксида между затвором и корпусом.
    • ИСПТ (ионно-чувствительный полевой транзистор) может быть использован для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H + , см. pH-электрод ) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится.
    • BioFET (Биологически чувствительный полевой транзистор) представляет собой класс датчиков / биосенсоров на основе ISFET технологии , которые используются для обнаружения заряженных молекул; когда присутствует заряженная молекула, изменения электростатического поля на поверхности BioFET приводят к измеримому изменению тока через транзистор. К ним относятся модифицированные ферментом полевые транзисторы (EnFET), иммунологически модифицированные полевые транзисторы (ImmunoFET), геномодифицированные полевые транзисторы (GenFET), ДНК -полевые транзисторы, полевые транзисторы на основе клеток (CPFET), полевые транзисторы жуков / чипов (BeetleFET) и полевые транзисторы на основе ионных каналов / связывание с белками.
    • DNAFET ( полевой транзистор ДНК ) — это специализированный полевой транзистор, который действует как биосенсор , используя вентиль, сделанный из одноцепочечных молекул ДНК, для обнаружения совпадающих цепей ДНК.
  • JFET (узловой полевой транзистор) использует обратное смещение р-п переход , чтобы отделить затвор от тела.
  • DEPFET — это полевой транзистор, сформированный на полностью истощенной подложке, который одновременно действует как датчик, усилитель и узел памяти. Его можно использовать как датчик изображения (фотона).
  • FREDFET (полевой транзистор с эпитаксиальным диодом с быстрым реверсом или быстрым восстановлением) представляет собой специализированный полевой транзистор, предназначенный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) внутреннего диода, что делает его удобным для управления индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели , особенно средней мощности. бесщеточные двигатели постоянного тока с приводом .
  • HIGFET (гетероструктурный полевой транзистор с изолированным затвором) в настоящее время используется в основном в исследовательских целях.
  • MODFET (полевой транзистор с модуляционным легированием) представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов, использующий структуру с квантовыми ямами, образованную градиентным легированием активной области.
  • TFET ( туннельный полевой транзистор ) основан на межполосном туннелировании.
  • НЕМТ ( транзистор с высокой подвижностью электронов ), также называемый HFET (гетероструктуры FET), может быть получен с использованием запрещенной зоны инженерии в тройном полупроводнике , такие как AlGaAs . Полностью обедненный материал с широкой запрещенной зоной образует изоляцию между затвором и корпусом.
  • ПТШ (металл-полупроводник полевой транзистор) заменяет р-п переход от JFET с барьером Шоттки ; и используется в GaAs и других полупроводниковых материалах AIIIBV .
  • NOMFET является наночастицами органической памяти полевой транзистор.
  • GNRFET (полевой транзистор с графеновой нанолентой ) использует в качестве канала графеновую наноленту .
  • VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой полевой транзистор квадратной формы без перехода с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах. Два затвора занимают другие углы и контролируют ток через щель.
  • CNTFET ( полевой транзистор из углеродных нанотрубок ).
  • OFET ( органический полевой транзистор ) использует в своем канале органический полупроводник.
  • QFET ( транзистор с квантовым полевым эффектом ) использует преимущества квантового туннелирования для значительного увеличения скорости работы транзистора за счет исключения традиционной транзисторной области электронной проводимости.
  • SB-FET (полевой транзистор с барьером Шоттки) представляет собой полевой транзистор с металлическими контактными электродами истока и стока, которые создают барьеры Шоттки как на интерфейсах исток-канал, так и сток-канал.
  • GFET — это высокочувствительный полевой транзистор на основе графена, используемый в качестве биосенсоров и химических сенсоров . Благодаря двумерной структуре графена, наряду с его физическими свойствами, GFET-транзисторы обеспечивают повышенную чувствительность и уменьшение количества ложных срабатываний в сенсорных приложениях.
  • Fe полевой транзистор использует сегнетоэлектрический между затвором, позволяя транзистор , чтобы сохранить свое состояние в отсутствии смещения — такие устройства могут иметь применение в качестве энергонезависимой памяти .

Преимущества

Полевой транзистор имеет высокое сопротивление току затвор-сток, порядка 100 МОм или более, что обеспечивает высокую степень изоляции между управлением и потоком. Поскольку шум базового тока будет увеличиваться со временем формирования, полевой транзистор обычно производит меньше шума, чем биполярный транзистор (BJT), и встречается в чувствительной к шуму электронике, такой как тюнеры и малошумящие усилители для УКВ и спутниковых приемников. Он относительно невосприимчив к радиации. Он не показывает напряжения смещения при нулевом токе стока и представляет собой отличный прерыватель сигнала. Обычно он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. Поскольку они управляются зарядом затвора, при закрытии или открытии затвора не требуется дополнительной мощности, как это было бы с биполярным переходным транзистором или с реле без фиксации в некоторых состояниях. Это позволяет осуществлять переключение с очень низким энергопотреблением, что, в свою очередь, обеспечивает большую миниатюризацию схем, поскольку потребности в рассеивании тепла уменьшаются по сравнению с другими типами переключателей.

Недостатки

Полевой транзистор имеет относительно низкое произведение коэффициента усиления и ширины полосы по сравнению с BJT. МОП-транзистор очень чувствителен к перегрузкам, поэтому при установке требуется особое обращение. Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатического разряда или изменений порогового напряжения во время работы. Обычно это не проблема после того, как устройство было установлено в правильно спроектированной цепи.

Полевые транзисторы часто имеют очень низкое сопротивление «включено» и высокое сопротивление «выключено». Однако промежуточные сопротивления значительны, и поэтому полевые транзисторы могут рассеивать большое количество энергии при переключении. Таким образом, эффективность может иметь большое значение при быстром переключении, но это может вызвать переходные процессы, которые могут возбуждать паразитные индуктивности и генерировать значительные напряжения, которые могут возникать на затворе и вызывать непреднамеренное переключение. Поэтому схемы на полевых транзисторах могут потребовать очень тщательной компоновки и могут включать компромисс между скоростью переключения и рассеиваемой мощностью. Также существует компромисс между номинальным напряжением и сопротивлением во включенном состоянии, поэтому полевые транзисторы высокого напряжения имеют относительно высокое сопротивление во включенном состоянии и, следовательно, потери проводимости.

Режимы отказа

Полевые транзисторы относительно надежны, особенно при работе в пределах температурных и электрических ограничений, определенных производителем (надлежащее снижение номинальных характеристик ). Однако современные устройства на полевых транзисторах часто могут содержать корпусный диод . Если характеристики основного диода не принимаются во внимание, полевой транзистор может работать медленно, когда паразитный транзистор включается и позволяет потреблять высокий ток от стока к истоку, когда полевой транзистор выключен.

Использует

Наиболее часто используемый полевой транзистор — это полевой МОП-транзистор . Технология CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой современных цифровых интегральных схем . В этом технологическом процессе используется схема, в которой (обычно «режим улучшения») p-канальный MOSFET и n-канальный MOSFET соединены последовательно, так что, когда один включен, другой выключен.

В полевых транзисторах электроны могут течь через канал в любом направлении при работе в линейном режиме. Соглашение об именах выводов стока и истока несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) построены симметрично от истока до стока. Это делает полевые транзисторы подходящими для переключения аналоговых сигналов между трактами ( мультиплексирование ). Используя эту концепцию, можно, например, сконструировать твердотельный микшерный пульт . FET обычно используется в качестве усилителя. Например, из-за большого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления он эффективен в качестве буфера в конфигурации с общим стоком (истоковый повторитель).

БТИЗ используются для переключения катушек зажигания двигателей внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.

Транзистор с истоковым затвором

Транзисторы с закрытым истоком более устойчивы к производственным и экологическим проблемам в электронике большой площади, такой как экраны дисплеев, но работают медленнее, чем полевые транзисторы.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки

Резистор в цепи затвора или как делать правильно / Хабр

Всем доброго времени суток!

Эта небольшая статья возможно станет шпаргалкой для начинающих разработчиков, которые хотят проектировать надежные и эффективные схемы управления силовыми полупроводниковыми ключами, обновит и освежит старые знания опытных специалистов или может хотя бы где-то поцарапает закрома памяти читателей.

Любому из этих случаев я буду очень рад.

В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа. Тем не менее, можно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора для дискретных силовых транзисторов, а также для силовых модулей.

Основы


Затворный резистор расположен в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.

Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора и затвора-эмиттера и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток ), а разряд выключит (ток ).

Резистор в данной цепи ограничивает ток заряда/разряда входных емкостей, помимо этого, правильно подобранный резистор не даст ключу самопроизвольно открываться, что иногда может случиться, из-за быстрого изменения напряжения на силовых выводах ключа например, такое может случиться, когда в полумостовой топологии соседний ключ открывается. В таком случае емкость перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. К тому же порог открывания ключа часто сильно опускается при росте температуры кристалла полупроводника.

Что нужно знать и как выбрать “правильный” резистор


1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера

Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток. Если ток затвора при открытии/закрытии ключа превысит значение максимального выходного тока, то драйвер может выйти из строя, поэтому, в данном случае, затворный резистор ограничит выходной ток драйвера.

Можно составить эквивалентную модель цепи, по которой и рассчитать необходимое значение резистора:

Следуя несложным умозаключениям, можем получить формулы для расчета тока драйвера, и подобрать резистор затвора таким, чтобы не превысить максимально допустимые параметры драйвера:


2. Рассеиваемая мощность

Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера. В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:


Тут — заряд затвора ключа, а — частота коммутации.
После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:

где — собственное потребление драйвера.

Тут еще есть небольшое примечание, в большинстве даташитов на ключи указывают заряд затвора при определенных условиях, например при напряжении управления затвором +15В…-15В, если же в Вашей схеме другое напряжение управления, например +15В…0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:


3. Скорость включения и электромагнитная совместимость

Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора. Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon:

Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Напротив, если применять меньшее сопротивление затвора, переключение станет более быстрым и потери уменьшаться, но при этом шум, вызванный быстрым нарастанием тока и напряжения, будет увеличиваться, что может быть критично, когда нужно отвечать требованиям электромагнитной совместимости поэтому значение сопротивления затвора нужно выбирать очень аккуратно.

4. То самое “паразитное” включение

В начале, когда

Производители транзисторов

 

Производители транзисторов

ABB SEMICONDUCTORS

High Power Diodes, IGBTs, GTOs, PCTc, BCTs, Thyristors

ADVANCED POWER TECHNOLOGY
{acquired by Microsemi in 2005}

Power MOSFETs, UF & Schottky Diodes

ADVANCED SEMICONDUCTOR

RF Power Transistors, Microwave Diodes

AEROFLEX

RadHard Discretes

AGILENT TECHNOLOGIES
{former H-P Semiconductor Div.}
{see AVAGO TECHNOLOGIES from 2006}

Testing and Measurement Instruments

ALPHA & OMEGA SEMICONDUCTOR

MOSFETs, TVSs

 

ALPHA INDUSTRIES

PIN Diodes, GaAs FETs, PHEMTs

ANALOGICTECH

MOSFETs

ANPEC ELECTRONICS

MOSFETs

ASC SEMICONDUCTORS

Diodes

AVAGO TECHNOLOGIES
{former Agilent Technologies (SPG)}

UHF Discrets

 

BKC SEMICONDUCTOR
{acquired by Microsemi in 1998}

Diodes, Zener Diodes

BOSCH

Diodes

BYTESONIC

Diodes, Rectifiers

CENTRAL SEMICONDUCTOR

Bipolar & MOSFET Transistors, JFETs, Diodes, Rectifiers, Triacs

 

CHELTON TELECOM & MICROWAVE

RF Diodes

CICLON SEMICONDUCTOR DEVICE
{acquired by Texas Instruments in 2009}

MOSFETs & RF LDMOS

 

CLIFTON

GaAs Rectifier Diodes

 

COMCHIP TECHNOLOGY

smd Diodes, TVSs

COMPENSATED DEVICES
{acquired by Microsemi in 2001}

Diodes, Rectifiers

 

CONCORD SEMICONDUCTOR
{acquired by Littelfuse in 2006}

TVSs

CONTINENTAL DEVICE INDIA

Diodes, Bipolar Transistors

CREE

RF Power MOSFETS, SiC Rectifiers

CRYDOM
{part of CST from 2006}

Triacs, Thyristors

 

CRYSTALONICS

Diodes, Bipolar & JFET Transistors

CYNERGY3 COMPONENTS

Diodes & Triac Modules

DC COMPONENTS

Diod Rectifiers, Bridge Rectifiers

 

DELPHI

Automotive Discretes

 

DIODES
{partly belongs to Lite-On}

Schottky &Zener Diodes, TVSs, Bipolar Transistors, MOSFETs

DIOTEC SEMICONDUCTOR

Diodes, Rectifier Bridges

DIOTEC ELECTRONICS

Diodes, Rectifier Bridges

DIRECTED ENERGY
{part of Ixys from 2000}

RF MOSFETS

DYNEX SEMICONDUCTOR

Thyristors, GTOs, IGBTs

EFFICIENT POWER CONVERSION

GaN Transistors

EIC SEMICONDUCTOR

Rectifier Diodes

ELECTROVIPRYAMITEL

IGBTs, Thyristors, Triacs

EUPEC
{merged with Infineon in 2006}

Power Semiconductors

EXCELICS SEMICONDUCTOR

FETs

 

EXICON

audio MOSFETs

FAGOR ELECTRONICA

Diodes, Zeners, TVSs, Thyristors

FAIRCHILD SEMICONDUCTOR

JFETs, MOSFETs, Diodes

FILTRONIC SOLID STATE

Gunn Diodes, FETs

FUJI SEMICONDUCTOR

Diodes, MOSFET’s, IGBT’s

FUJITSU MICROELECTRONICS

MOSFETs

FUJITSU COMPOUND SEMICONDUCTOR

GaAs FETs, Lasers, Photodiodes

 

FUXIN JIALONG ELECTRONICS

Diodes, Thyristors

 

GALAXY SEMICONDUCTOR

Diodes, Rectifiers

GENERAL SEMICONDUCTOR
{acquired by Vishay in 2001}

Schottky&Zener Diodes, TVSs

 

GENTRON

MOSFET & IGBT Modules

GHZ TECHNOLOGY

RF & MW Power Transistors

GOODARK

Diodes, Rectifiers

GREEN POWER SEMICONDUCTORS

Power Diodes, Thyristors, Voltage Suppresors

HEXAWAVE

RF FETs

HITACHI

MOSFETs, IGBTs, Diodes

 

HOPE MICROELECTRONICS
{div. of China Electronic Technology Group}

RF Transistors, MOSFETs

HSIN SEMICONDUCTOR

Bipolar Transistors, TRIACs

 

HSMC

Diodes, Transistors

 

HUA YUE MICROELECTRONICS

Diodes, Transistors

HUAJING RECTIFIER

Diodes, Thyristors, SSRs

HUTSON INDUSTRIES

DIACs, SCRs, TRIACs

 

HV COMPONENT ASSOCIATES

HV Diodes

 

INFINEON TECHNOLOGIES
{former Siemens Semiconductor}

MOSFETs & IGBTs

 

INSTOCK Wireless Components, Inc.

Since 2005, INSTOCK Wireless has proudly designed, manufactured, and distributed RF power splitter combiners from our Boonton, NJ facility. While many companies have outrageous lead times on even the smallest orders, INSTOCK Wireless keeps all products in stock

 

INTEGRA TECHNOLOGIES

Microwave & RF Power Transistors

INTERFET

JFETs

INTERNATIONAL RECTIFIER

MOSFETs, IGBTs, Power Diodes

 

INTERSIL
{former Harris Semiconductor}

MOSFETs, Diodes

IXYS

MOSFETs, IGBTs, FREDs, Power Modules

KEC

Transistors, Diodes, FETs, Thyristors

 

KNOX SEMICONDUCTOR
{acqired by Micrometrics in 2005}
{part of Aeroflex from 2007}

HiRel Diodes

 

LINEAR SYSTEMS

Small Signal Discretes, Low Leakage Diodes, Transistors

LITE-ON SEMICONDUCTOR

Diodes, Rectifiers, TVSs

 

LUNSURE ELECTRONIC

Diodes, Bridge Rectifiers

M/A-COM
{part of AMP from 1995}
{part of Tyco from 1999}

RF Power Transistors & Modules

MAGEPOWER SEMICONDUCTOR

MOSFETs

 

MDE SEMICONDUCTOR

Thyristors, TVSs, Varistors

 

METELICS

RF & PIN & Tunnel Diodes

MICRO COMMERCIAL COMPONENTS

Diodes, Transistors, Surge Protectors

MICRO ELECTRONICS

Diodes, Bipolar Transistors

 

MICROMETRICS
{acqired by Aeroflex in 2007}

RF/MW Diodes

MICROSEMI

Diodes, Zeners, Bipolar Transistors, MOSFETs

MICROWAVE TECHNOLOGY
{acquired by Ixys in 2003}

GaAs FETs

MINI-CIRCUITS

RF Diodes

MITSUBISHI SEMICONDUCTORS

MOSFETs & IGBTs

MOSPEC SEMICONDUCTORS

Power Discrets

MOTOROLA
{see On Semiconductor now}

RF Transistors, Diodes

MOXTEK

JFET Transistors

NAINA SEMICONDUCTOR

Diodes, Bipolar Transistors

NEC ELECTRONICS
{subsidiary of NEC Corp. from 2002}

Bipolar & FET Transistors, Diodes

NIHON INTER ELECTRONICS

Diodes, Thyristors

NXP SEMICONDUCTORS

Diodes, Bipolar Transistors, MOSFETs, Thyristors

OKI SEMICONDUCTOR

MOSFETs

OMNIREL
{acquired by IR in 2000}

MOSFETs, IGBTs, Schottky Diodes

ON SEMICONDUCTOR
{former div. of Motorola}

Diodes, Schottky Diodes, Supressors

 

PAN JIT INTERNATIONAL

Diodes, Rectifiers, Schottky & Zener Diodes, TVSs

 

PEAK DEVICES
{acquired by Triquint Semiconductor in 2007}

RF Bipolar & LDMOS Transistors

PHILIPS SEMICONDUCTORS
{see NXP Semiconductors from 2006}

Bipolar Transistors, MOSFETs, Thyristors

PLANETA

RF Diodes & Transistors, Thyristors

POLOVODICE
{acquired by ABB in 2010}

Power Modules, Diodes

POLYFET RF DEVICES

RF Power MOSFETs

 

POSEICO

Diodes, Thyristors, IGBTs

POWER INNOVATIONS
{acquired by Bourns in 2000}

Bipolar Transistors, Protection Diodes

POWEREX

Power Darlingtons, IGBT & MOSFET Modules

POWERSEM

Power Modules

PREOBRAZOVATEL

Diades, Triacs, Thyristors

PROTEK DEVICES

TVSs

RECTRON

Diodes, Rectifiers, TVS’s, Zeners

ROHM SEMICONDUCTOR

Digital Transistors, Diodes, MOSFETs

SANKEN ELECTRIC

Diodes, Bipolar & MOSFET Transistors

 

SANREX
{subsidary of Sansha Electric}

Power Semiconductors

SANYO ELECTRONIC DEVICES

MOSFETs

SEMELAB

RF MOSFETs, Super Fast Diodes

SEMICOA SEMICONDUCTORS
{acquired by Microsemi in 2008}

Bipolar Transistors

SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY

Bipolar Transistors, MOSFETs

SEMIKRON

Diodes, Thyrisrors, MOSFET & IGBT Modules

SEMITRON INDUSTRIES
{part of Crydom from 1998}
{part of Littelfuse from 2002}

TVSs

SEMITRONICS

HiRel Discrets

SEMTECH

Bipolar Transistors, TVSs

SEMTECH ELECTRONICS
{subsidiary of Sino-Tech International}

Diodes & Transistors

 

SENSITRON SEMICONDUCTOR

Diodes, Bipolar Transistors, MOSFETs

SHANGHAI SUNRISE ELECTRONICS

Diodes, Zeners, TVSs

SHINDENGEN

MOSFETs, Bipolar Transistors, Diodes

 

SILICONIX
{part of Vishay now}

MOSFETs

 

SILICON WIRELESS

Diodes, Rectifiers

 

SIRECTIFIER SEMICONDUCTORS

Diodes, SCRs, MOSFETs, IGBTs, Transila

SIT

Bipolar Transistors, Thyristors

SOLITRON DEVICES

Diodes, IGBTs, MOSFETs

SPECTRIAN

RF Transistors

STANFORD MICRODEVICES

GaAs FETs

ST MICROELECTRONICS
{SGS-Thomson before 1998}

MOSFETs, Bipolar Transistors, Diodes, TVSs

 

SUPERTEX

MOSFETs, IGBTs

SURGE COMPONENTS

Diodes

SUSSEX SEMICONDUCTOR

Transiet Suppressors, Zeners, Rectifiers

TAIWAN SEMICONDUCTOR

Diodes, Schottky Diodes, TVSs

TECCOR ELECTRONICS
{acquired by Littelfuse in 2003}

DIACs, Rectifiers, SCRs, TRIACs, TVSs

 

TEZ

Diodes

TOKO

Bipolar Transistors, Diodes

TOSHIBA

MOSFETs & IGBTs

 

TRANSYS ELECTRONICS

Diodes, Transistors

 

TUXIN TALIN POWER ELECTRONIC

Diodes, Thyristirs, Triacs

UNISONIC TECHNOLOGIES

Bipolar Transistors, SCRs, Triacs

USHA

Bipolar Transistors, Diodes, Thyristors

VISHAY INTERTECHNOLOGY

MOS Transistors, Diodes

VOLTAGE MULTIPLIERS

Diodes, HV Diodes, Rectifiers, TVSs

 

WESTCODE SEMICONDUCTORS
{part of Ixys from 2002}

Power Diodes & Thyristors

WING SHING INTERNATIONAL

Diodes & Transistors

WON-TOP ELECTRONICS

Diodes

YANGJIA DIODE

Diodes, Rectifiers, TVSs

ZETEX SEMICONDUCTORS
{buy-out from Plessey in 1989}
{acquired by DIODES in 2008}

Bipolar Transistors

ZOWIE TECHNOLOGY

 

 

 

 

Разница между биполярным транзистором IGBT с изолированным затвором и полевым МОП-транзистором

МОП-транзистор по сравнению с IGBT

В современном мире существует множество разновидностей твердотельных импульсных транзисторов питания для выполнения операций переключения в силовых электронных системах. Все они имеют свои собственные характеристики с точки зрения тока, напряжения, скорости переключения, нагрузки, схемы драйвера и температуры. У каждого есть свои ограничения и преимущества, но его использование зависит от требований приложения.

В большинстве коммутационных приложений металл-оксидный полупроводниковый транзистор с полевым эффектом (MOSFET) и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) преобладают по сравнению с другими переключающими устройствами из-за их превосходных характеристик. Эти приложения включают источники бесперебойного питания (ИБП), солнечные инверторы и преобразователи, различные системы драйверов двигателей, приложения на основе технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ), импульсные источники питания (SMPS) и т. Д.

эти коммутационные устройства подходят для соответствующих приложений.В этом отношении уместно описание следующих двух переключающих устройств.

Высоковольтный силовой полевой МОП-транзистор

Силовой МОП-транзистор

МОП-транзистор — это наиболее часто используемое переключающее устройство, которое представляет собой силовое устройство, управляемое напряжением, в отличие от BJT, которое представляет собой устройство с контролем тока. MOSFET — это слаботочное, низковольтное и высокочастотное коммутационное устройство. Он состоит из трех выводов: затвора, стока и истока. Он поставляется с двумя разными режимами: режимами улучшения и истощения, и полевые МОП-транзисторы могут быть P-канальными или N-канальными.МОП-транзисторы различаются в зависимости от уровня напряжения на клемме затвора.

В режиме истощения максимальная проводимость имеет место между истоком и стоком, если нет напряжения на выводе затвора, тогда как положительное или отрицательное напряжение на затворе снижает проводимость. В режиме улучшения полевой МОП-транзистор не проводит ток, если на клемме затвора нет напряжения, а если напряжение больше, имеет место проводимость.

Если положительное напряжение больше порогового уровня, приложенного между затвором и истоком, оно создает проводящий слой за счет накопления электронов.Этот слой формируется между оксидным слоем и слоем P-подложки путем отталкивания дырок от P-подложки и притяжения электронов в N-слое. С увеличением напряжения затвор-исток размер этого проводящего слоя увеличивается, что приводит к протеканию большего тока от истока к стоку. Таким образом, полевой МОП-транзистор переходит в режим проводимости за счет приложения напряжения между затвором и истоком.

MOSFET

можно отключить, уменьшив напряжение затвор-исток ниже порогового уровня.Иногда для его запуска требуется ток BJT, хотя MOSFET является переключателем, управляемым напряжением. Он также имеет диод со стоком в корпусе, который полезен при работе с токами свободного хода. Поскольку его сопротивление в открытом состоянии низкое, потери в открытом состоянии также ниже. МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах и ​​при низких напряжениях и идеально подходят для более быстрых операций переключения с низкими перепадами напряжения. Но они ограничены использованием при более высоких рабочих напряжениях в диапазоне около 500 В.

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

IGBT спроектирован путем объединения функций как MOSFET, так и BJT в монолитной форме.Поскольку BJT имеют высокую пропускную способность по току, а управление MOSFET легко, IGBT предпочтительны для приложений средней и большой мощности. Это устройство с неосновным носителем заряда и имеет высокий входной импеданс.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Он имеет три вывода: эмиттер, коллектор и затвор. Затвор является управляющим выводом, тогда как выводы коллектора и эмиттера связаны для пути проводимости. IGBT — это четырехслойная структура P-N-P-N, такая же, как у тиристоров. На рисунке ниже показаны различные слои IGBT, в которых поток электронов через область дрейфа и канал втягивает больше дырок в область дрейфа по направлению к эмиттеру.Поскольку ток состоит из дырок и электронов, ток имеет биполярную природу.

Структура IGBT

Подобно МОП-транзистору, когда прикладывается положительное смещение затвора, он позволяет инвертировать P-базовую область под затвором и создает N-канал. В этом состоянии сопротивление n-слоя быстро уменьшается, когда положительные дырки инжектируются из p + -слоя в n-слой. Это заставляет IGBT обрабатывать больше токов, чем MOSFET, из-за более низких потерь проводимости.Для его выключения — отрицательное смещение на затворе или понижение напряжения затвора до порогового уровня отключает его из-за отсутствия инжекции дырок в N-область.

Разница между биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) и силовыми полевыми МОП-транзисторами высокого напряжения

  1. MOSFET — это устройство с основным носителем, в котором проводимость осуществляется за счет потока электронов, тогда как IGBT представляет собой поток тока, содержащий как электроны, так и дырки. Как обсуждалось выше, инжекция неосновных носителей (дырок) в область дрейфа значительно снижает напряжение на каскаде из-за модуляции проводимости.Это преимущество низкого падения напряжения в открытом состоянии по сравнению с MOSFET, который представляет собой меньший размер кристалла и менее дорогое устройство.
  2. IGBT состоит из выводов эмиттера, коллектора и затвора, тогда как MOSFET состоит из выводов истока, стока и затвора.
  3. IGBT используется преимущественно для приложений с более высоким напряжением, поскольку он униполярен и требует дополнительного диода свободного хода для обратного тока. Из-за этого дополнительного диода на IGBT он дает очень высокую производительность по сравнению с MOSFET.
  4. Структуры MOSFET и IGBT очень похожи, за исключением P-подложки под N-подложкой. Благодаря этому дополнительному слою проводимость увеличивается за счет инжекции дырок, что также снижает напряжение в открытом состоянии, как обсуждалось выше. MOSFET
  5. рассчитан на напряжение около 600 вольт, тогда как IGBT рассчитан на диапазон напряжений около 1400 В. Следовательно, при высоких напряжениях ток становится низким, что в конечном итоге приводит к низким коммутационным потерям.
  6. IGBT предпочтительнее для низкой частоты (менее 20 кГц), высокого напряжения (более 1000 В), небольшой или узкой нагрузки или колебаний линии; низкий рабочий цикл, высокая рабочая температура; и приложения с номинальной выходной мощностью более 5 кВт; тогда как MOSFET предпочтительнее для широких нагрузок или вариаций линии, низкого напряжения (менее 250 В), больших рабочих циклов и высокочастотных (более 200 кГц) приложений.
  7. Типичные приложения IGBT включают источники бесперебойного питания (ИБП), маломощное освещение, приложения для управления двигателями и сварки, импульсные источники питания (SMPS), зарядку аккумуляторов и т. Д., Но по сравнению с MOSFET, IGBT преобладает в нескольких приложениях.

Разница между IGBT и MOSFET

На приведенной выше диаграмме вы можете наблюдать некоторые сравнения IGBT и MOSFET на основе их модели с номинальными характеристиками. Следовательно, при выборе переключающих устройств, особенно IGBT и MOSFET, необходимо учитывать более крупные параметры для соответствующих приложений в области силовой электроники.Для любых прикладных проектов на этих устройствах вы можете связаться с нами, оставив комментарий ниже.

Фото:

IGBT | Renesas Electronics

Renesas Electronics