Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного полевого МОП-транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного транзистора n – p – n – транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulаted Gate Bipolar Transistor).

Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис 5.11, а. На этой схеме VT₁ – полевой транзистор с изолированным затвором, VT₂ – паразитный биполярный транзистор, R₁ – последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ – сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора VT₂. Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT₁. Вольт-амперные характеристики ПТИЗ характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R₁.

Рис. 5.11. Схема замещения ПТИЗ (а), схема замещения типа IGBT (б)

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним p – n переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 5.11, б) появляется еще один p – n – p – транзистор VT₃.

Образовавшеяся структура из двух транзисторов VT₂ и VT₃ имеет глубокую внутреннюю положительную обратную звязь, так как ток коллектора транзистора VT₃ влияет на ток базы VT₂, а ток коллектора транзистора VT₂ определяет ток базы транзистора VT₃. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов VT₂ и VT₃ имеют значения и соответственно, найдем и . Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора:

(5.6)

Поскольку ток стока I_C ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжение U_Э на затворе , найдем ток IGBT:

(5.7)

где - эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Очевидно, что при эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения и можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. Так , например, для транзистора BUP 402 или MGY20N120D получено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами VT₂ и VT₃, включенными последовательно.

Условное изображение БТИЗ приведено на рис. 5.12,а Это обозначение подчеркивает его гибриднсть тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Рис. 5.12. Условное изображение БТИЗ (а) и его типичная область безопасной работы (б)

На области безопасной работы БТИЗ отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 5.12, б приведена область безопасной работы транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности импульса 10 мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5…6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия мощных биполярных транзисторов. Для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0 мкс.