Биполярные транзисторы (стр. 4 из 6)

U_n= -i_cR_n= -U_зиSR_n

U_зн=U_c

Откуда

K_y= U_n/ U_c= SR_n

Рис 5.7. Простейшая схема замещения полевого транзистора (а), схема усилителя на полевом транзисторе (6), эквивалентная схема (в) и схема замещения в ^-параметрах (г)

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель полевого транзистора усложняют введением других параметров, которые учитывают неидеальность транзистора. Уточненная схема замещения долевого транзистора для малых сигналов приведена на рис. 5.7 г. Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями транзистора в ^-параметрах (параметрах проводимости):

I_з=y₁₁U_з + y₁₂U₀

I_c= y₂₁U_з + y₂₂U_c5.11

Физический смысл параметров, используемых в уравнениях (5.11), можно установить, если воспользоваться режимами короткого замыкания на входе и выходе схемы замещения. При коротком замыкании на выходе (Uc=0) находим два параметра,

y₁₁= i₃ / U₃ и y₂₂= i_c/ U₃. (5.12)

Аналогично при коротком замыкании на входе (uj=o) находим два других параметра

y₁₂= i_{3 /} U₃ иy₂₂=i_{c /} U_c(5.13)

Из уравнений (5.12) и (5.13) следует, что ^ц является проводимостью утечки затвора полевого транзистора, а у^ — его выходной проводимостью, у^ называется проводимостью обратной передачи и учитывает влияние напряжения на стоке на ток затвора, ay^=S — это крутизна полевого транзистора (или проводимость прямой передачи). Из схемы замещения, приведенной на рис. 5.5 г, можно получить простейшую схему замещения, изображенную на рис. 5.7 а, если положить Уп=Уп=у-а=0.

Отметим, что в справочниках по полевым транзисторам обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны S, вместо входной проводимости иногда приводятся ток утечки затвора и входная емкость, а вместо проводимости обратной передачи в большинстве случаев приводится так называемая проходная емкость Сэс, т. е. емкость с затвора на сток (или на канал). Для мощных полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме, обычно приводится значение сопротивления открытого канала, максимальный ток стока и предельное напряжение на стоке.

Динамические характеристики полевых транзисторов. Динамические характеристики полевых транзисторов по-разному описывают их поведение в ключевом и линейном (усилительном) режимах работы. В усилительном режиме транзистор обычно работает при малом уровне сигнала и, соответственно, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависимости токов и напряжений. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его коммутации и искажения фронтов импульсов.

Если пренебречь небольшими объемными сопротивлениями контактов стока и истока, а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замещения будут иметь значения

y₁₁= y_вх= jw(l_зс + l_зх), y₂₂= y_вых= g_сн + jwl_зс, y₁₂= -jwl_зси y₂₁=S - jl_зс (5.14)

Из выражения (5.14) следует, что с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/у„ полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор \/уа. В результате возрастает емкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте.

Следует, однако, отметить, что многие из параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от постоянных напряжений на его электродах. Так, например, крутизна S зависит от напряжения на затворе 1/эи (см. формулу 5.9). Для транзисторов с^-п-переходом емкости затвора С,и и Сщ являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются.

Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на примере процессов включения и выключения полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа, пользуясь схемой, изображенной на рис. 5.8 б. Для переключения транзистора на его затвор подается прямоугольный импульс напряжения t/.x, изображенный на рис. 5.8 в. При рассмотрении переходных процессов использована упрощенная модель транзистора, приведенная на рис. 5.8 а.

При подаче прямоугольного импульса от источника t/„ вначале происходит заряд емкости Сщ через сопротивление источника сигнала 7t„- До тех пор, пока напряжение на емкости Сзд не достигнет порогового напряжения t/nop, ток стока равен нулю и напряжение на стоке равно напряжению источника питания Ее.

Когда емкость Сэм зарядится до t/nop. транзистор некоторое время будет находиться в области насыщения, а его коэффициент усиления, как показано раньше, будет иметь значение Ky^SR». В этом случае входная емкость транзистора резко увеличится и будет равна

С_вх= C_зи + (1+ k_y)C_зс(5.15)

Скорость нарастания напряжения на затворе транзистора уменьшается обратно пропорционально увеличению емкости С„. По мере увеличения напряжения на С„ будет постепенно нарастать ток стока и уменьшаться напряжение на стоке. Таким образом, процесс заряда емкости С„ будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на стоке не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свойства. При этом входная емкость станет равной Суя и скорость ее заряда резко увеличится. В результате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение £/o.

Следует отметить, что в результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на время /з«я.вкя> а его фронт растягивается на время /,„. Аналогичный процесс происходит при выключении транзистора: имеется время задержки выключения <з№вы«> время выключения /„ж, в течение которого спадает импульс тока стока, и время lye, установления исходного состояния.

Лекция 6. Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерывно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше бкВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статической индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления. Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триод-ные (тиристоры). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры — симисторы.

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три ^-«-перехода. Крайняя область Р называется анодом, а другая крайняя область N — катодом. Структура динистора приведена на рис. 6.1 а. Три ^-и-перехода динистора обозначены как j), 7э и Уз.

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J&bsol; и /э будут смещены в прямом направлении, а переход Ji — в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу Ji. Примем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов П и 72 имеют значения oti и о; соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 6.2 б, найдем ток через переход Ji, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки /ко этого перехода:

Ij₂= a₁I_j1 + a₂I_a2 + I_ko(6.1)