Особенности мощных высоковольтных транзисторов

При построении устройств автоматики нередко возникает необходимость в использовании биполярных транзисторов, напряжение которых должно составлять несколько сотен вольт при достаточно больших (десятки ампер) токах. Рассмотрим особенности строения таких транзисторов.

Работа биполярного транзистора может протекать при низком или при высоком уровне инжекции, что определяется плотностью тока, протекающего через эмиттерный переход. В зависимости от конструкции транзистора величина граничной плотности тока может составлять сотни А/см², однако в силу малой площади эмиттерного перехода ( см²) в транзисторе будет наблюдаться высокий уровень инжекции при невысоких — менее 100 мА токах.

Ранее отмечалось, что величина коэффициента передачи тока базы должна быть постоянной, но на практике этого не наблюдается. При работе реального транзистора данный коэффициент нелинейно зависит от тока эмиттера.

Если транзистор работает при невысоком уровне инжекции, то основной причиной непостоянства коэффициента передачи является рекомбинация носителей заряда в зоне эмиттерного перехода. Данный процесс ведет к снижению значения при уменьшении тока эмиттера.

При высоких уровнях инжекции концентрация неосновных носителей в базе, инжектированных эмиттером, становится соизмерима или больше равновесной концентрации основных носителей базы. Будем считать, что основные носители заряда (дырки для транзистора обратной проводимости) распределены в базе равномерно. В связи с тем, что концентрация неосновных носителей в базе уменьшается от эмиттерного перехода к коллекторному, в базе возникает внутреннее электрическое поле (рис. 32).

Рис. 32

Данное поле будет ускоряющим для неосновных носителей, т. е. для рассматриваемого типа транзистора будет способствовать пролету электронов через базу, тем самым увеличивая коэффициент переноса . С другой стороны, избыточный отрицательный заряд со стороны эмиттерного перехода будет препятствовать инжекции электронов в базу, снижая коэффициент инжекции . Так как коэффициент передачи тока эмиттера , то на графике зависимости его от тока эмиттера будет явно присутствовать точка максимума, а с ростом величины тока коэффициент передачи будет уменьшаться (рис. 33,а). Аналогично будет вести себя коэффициент , связанный с зависимостью (рис. 33,б).

а)	б)

Рис. 33

Кроме рассмотренного эффекта, в биполярном транзисторе при высоких значениях токов, а также при высоких значениях обратного напряжения на коллекторном переходе возникают другие процессы, приводящие к уменьшению коэффициентов передачи токов: эффект Кирка и эффект квазинасыщения. Эффект Кирка состоит в увеличении зоны коллекторного перехода при значительных токах и высоком обратном напряжении в сторону коллектора. Тем самым увеличивается протяженность базы и снижается коэффициент переноса. Квазинасыщение связано с накоплением зарядов обоего знака в коллекторной области на границе с базой. В этом случае также имеет место увеличение протяженности базы. Квазинасыщение проявляется при относительно невысоких значениях .

Таким образом, увеличение тока, протекающего через транзистор, вызывает существенное уменьшение коэффициентов и , что требует увеличения мощности управляющих цепей. Следовательно, биполярные транзисторы, имеющие рассмотренную относительно простую структуру, в сильноточных цепях применять нецелесообразно.

Для увеличения коэффициента передачи тока в мощных высоковольтных транзисторах применяют составную структуру, называемую схемой Дарлингтона (рис. 34,а). Транзисторы и выполняют на одном кристалле (рис. 34,б). Достоинством таких транзисторов является большой коэффициент передачи тока, примерно равный произведению коэффициентов передачи каждого транзистора: . Эмиттерные переходы транзисторов обычно зашунтированы резисторами, что положительно сказывается на быстродействии транзистора.

Так как мощные транзисторы предназначены главным образом для работы в режиме переключения, характеризующимся переходом транзистора из состояния отсечки с высоким обратным напряжением, в состояние насыщения с высоким прямым током, то к ним предъявляются специфические требования: высокое пробивное напряжение эмиттер-коллектор, высокое значение тока коллектора, малое падение напряжения в открытом состоянии, малая длительность переходных процессов.

а)	б)

Рис. 34

Составные транзисторы, построенные по схеме Дарлингтона, имеют большие значения коэффициента передачи базового тока , однако, все равно требуют приложения мощности в управляющей цепи. Полевые транзисторы мощность по цепи управления практически не потребляют, однако проигрывают биполярным по такому важному показателя, как падение напряжение в открытом состоянии. В настоящее время широко используются мощные транзисторы, являющиеся гибридами полевых и биполярных транзисторов — биполярные транзисторы с изолированным затвором[*]. УГО такого транзистора показано на рис. 35,а, а упрощенная внутренняя структура — на рис. 35,б.

а)	б)

Рис. 35

Данные транзисторы сочетают достоинства биполярных и полевых транзисторов. Основная область применения — мощные переключающие каскады.

Дата добавления: 2015-07-14