С точки зрения обеспечения безопасной работы транзистора необходимо

Область безопасной работы (ОБР) определяет предельно-допустимые параметры: максимальный ток коллектора I_C_._max, напряжение U_CE, максимальную мощность рассеяния P_max, максимальную температуру перехода T_j_._max в стационарных и импульсных режимах работы. Различают ОБР для прямого смещения и ОБР для обратного смещения эмиттерного перехода. ОБР представляет собой выходные вольтамперные характеристики транзистора в двойном логарифмическом масштабе. Типичная ОБР транзистора для прямого смещения эмиттера в стационарном режиме приведена на рисунке 7.106.

Рисунок 7.106 — ОБР транзистора с прямосмещенным эмиттером

0.1

0.1 1.0 10 10 2 10 3 U_CE , В

Область ВС, соответствующая I_C_._max,ограничивается электропроводностью внутреннего вывода эмиттера, в частности, контактом эмиттерного электрода с кристаллом. Превышение максимального значения тока коллектора может привести к деградации усилительных свойств, а также катастрофическому отказу – обрыву эмиттера. Область CD ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния P_maxили максимальной температурой коллекторного перехода T_j_._max. Для стационарного режима:

где R_Т – тепловое сопротивление транзистора, Т – окружающая температура. С другой стороны,

; .

На участке CD ток I_Cпадает по гиперболе с увеличением U_CE (в двойном логарифмическом масштабе линейно с наклоном ). Для кремниевых транзисторов максимально допустимая температура T_jсоответствует 150…200 °С. Участок DE определяется тепловой формой вторичного пробоя и имеет наклон более резкий, чем участок, определяемый максимально допустимой температурой кристалла. Эта область ограничена тепловой нестабильностью. При случайной флуктуации температуры (превышение в локальной области) температурная скорость мощности, выделяемой в этом объёме, может превысить температурную скорость отдаваемой мощности, что приводит к включению положительной токо-температурной связи (накопление тепла) и шнурованию тока с выделением большой локальной мощности, приводящей к закорачиванию переходов эмиттер – коллектор либо растрескиванию кристалла из-за термомеханических напряжений. Наконец, последний участок EF ограничен лавинным пробоем.

В импульсном режиме работы с уменьшением длительности импульса при постоянной скважности I_C_._max может возрастать в 1,5…2 раза. При этом расширяются области CD и DЕ до прямоугольной конфигурации ОБР (рисунок 7.106). Такое поведение объясняется уменьшением средней мощности и температуры кристалла. С увеличением температуры ОБР будет уменьшаться как по току, так и по напряжению. При температуре, приближающейся к T_j_._max, ОБР исчезнет, как шагреневая кожа.

В ключевых схемах с форсированным выключением отрицательным током базы доминирующим механизмом, приводящим к локализации энергии в структуре и сужению ОБР, является токовая форма вторичного пробоя, описанная в предыдущем разделе. При работе на индуктивную нагрузку всегда существует опасность превысить напряжение U_CE, при котором лавинная генерация становится достаточной для того, чтобы генерировался внутренний обратный ток базы, который вызывает стягивание тока в шнур в центре эмиттера, а затем и вторичный пробой токовой формы, сопровождающийся выделением большой плотности энергии в переходном процессе выключения. С увеличением обратного тока базы или скорости нарастания обратного тока базы площадь шнура уменьшается, а плотность динамического заряда возрастает, что вызывает уменьшение блокирующего напряжения U_CE в переходном режиме. Диаграмма ОБР при отрицательных токах базы показана на рисунке 7.107. Граничное значение I_C_._max практически совпадает со значением для ОБР с прямым смещением эмиттера. Однако предельное напряжение U_CE становится меньше, чем U_CE и U_BCB. В режиме с отрицательным током базы рабочая точка не может выходить за границу ОБР даже кратковременно из-за малой инерционности входа во вторичный пробой токовой формы.

Следует отметить, что с ростом температуры напряжение входа во вторичный пробой увеличивается, что свидетельствует о не тепловой природе начальной стадии сжатия тока. На средних уровнях тока напряжение уменьшается дополнительно за счет тепловой неустойчивости. Чем шире токовый шнур (I_B₁), тем при меньших значениях тока коллектора начинает добавляться сжатие тока, обусловленное тепловым механизмом.

Рассмотрение ОБР биполярного транзистора показывает, что реализация энергетически эффективных высокочастотных импульсных устройств вторичных источников питания и преобразователей лимитируется процессом выключения транзистора. Снижение динамических потерь за счет форсированного режима выключения может существенно понизить надёжность изделия.

Одно из основных направлений расширения ОБР как в прямом, так и обратном смещении эмиттерного p-n перехода заключается в обеспечении малого и стабильного во времени теплового сопротивления R_Т. Технология «посадки» кристалла на кристаллодержатель должна реализовать сплошное покрытие эвтектикой без воздушных каверн всю площадь, чтобы максимально увеличить теплопередачу на корпус прибора. Одним из способов достижения этой цели является ультразвуковая «притирка» эвтектики Au–Si. При выделении импульсной мощности транзистор подвергается термоциклированию, вызывающего усталостные явления в припойном слое, сопровождаемые локальным отслоением кристалла и увеличением теплового сопротивления. Для подавления этого эффекта используются демпфирующие термокомпенсационные вольфрамовые прокладки или устойчивые к деформации слои, например, графитовые диски, структурированные медными волокнами. Графитовая основа обеспечивает стабильный тепловой контакт, а медные волокна – высокую электропроводность.

Второй по важности мерой является реализация необходимого отношения периметра эмиттера к площади базы P_E/S_B для равномерного распределения тока коллектора и мощности. Оценивается по достижению предельной температуры (собственной температуры слабо легированного коллектора) при включении максимального импульсного тока, а также максимальной плотности тока при выключении обратным током базы.

Другой способ обеспечения равномерности распределения тока заключается во включении в эмиттерные полоски балластных сопротивлений либо использование многоструктурной конструкции с запараллеленными эмиттерами и базами, применяемыми в СВЧ — транзисторах. Для переключательных транзисторов для частичной нейтрализации внутреннего обратного тока применяются встроенные в эмиттерные полоски технологические шунты, равномерно расположенные по площади. Они, как в тиристорах и составных транзисторах, повышают устойчивость к тепловым перегрузкам за счет подавления коэффициента усиления B на малых токах (I_CE≈ I_CB) и увеличивают предельное напряжение в режиме отсечки (U_CER ≈ U_BCB), а также закорачивают внутренний обратный ток базы на эмиттер (ток базы не протекает в поперечном направлении через сопротивление базы и не создает падение напряжения, стягивающего ток эмиттера в шнур). Такие транзисторы имеют нелинейную передаточную характеристику и сравнительно небольшой коэффициент усиления по току.

В высоковольтных транзисторах для расширения ОБР в сторону больших токов используют структуру с двухслойной базой и трехслойным коллектором. Первый слой более сильнолегированной базы предотвращает от локального смыкания, приводящего к стягиванию тока. Между n – и n + областями коллектора встраивается промежуточный сравнительно высоколегированный слой (

5∙10 14 см –3 ) толщиной (20…30) мкм. В стационарном режиме отсечки напряжение U_CER блокирует толстый низколегированный n – —слой. В динамическом режиме при большой плотности тока, приводящей к оттеснении поля к границе n-n + дополнительный слой, блокирует это напряжение (рисунок 7.108). В транзисторных ключах, работающих на индуктивную нагрузку, дополнительную защиту от вторичного пробоя дает стабилитрон, включенный между коллектором и базой мощного транзистора (рисунок 7.109).

В частности, транзисторы электронного зажигания автомобилей работают на индуктивность катушки зажигания, заряжая её во время подачи открывающего тока на базу. Для снижения входной мощности ключ построен по схеме Дарлингтона (VT1, VT3).

По окончанию импульса вторичная обмотка катушки генерирует искру поджига топливной смеси в цилиндре двигателя. В случае если энергия расходуется не полностью, она выделяет напряжение на коллекторе и рассеивается в транзисторе VT3. Для обеспечения безопасного поглощения избыточной энергии между коллектором и базой VT3 включен транзистор VT2 с оборванной базой, имеющей меньшее напряжение пробоя U_CE₀₂ по сравнению с VT1 и VT3 (U_CER). Поэтому при появлении напряжения на коллекторе в базу VT3 втекает значительный прямой ток через VT2, который нейтрализует падение напряжения от внутреннего обратного тока, протекающего по сопротивлению базы и стягивающего ток эмиттера к центру. В результате распределение плотности тока становится равномерным по всей площади эмиттера, и транзистор не входит во вторичный пробой.

n +

n –

n ++

p +

VT3

VT2

VT1

R_BE2

R_BE1

Рисунок 7.108 — Структура высоковольтного Рисунок 7.109 — Схема транзистора с
транзистора с трехслойным коллектором защитным стабилитроном

Технологические пути расширения ОБР направлены на обеспечение бездефектной структуры монокристалла с гомогенными свойствами. Для высоковольтных и мощных транзисторов используют кремний, легированный донорами за счет ядерных превращений. Облучение медленными или тепловыми нейтронами трансформирует часть атомов кремния в фосфор (P 31 ), так называемый нейтронный кремний. Пространственная неоднородность удельного сопротивления в этом случае не превышает (1…3)%, что на порядок и более ниже, чем у кремния, выращенного по методу Чохральского. Кроме того, технологический процесс должен содержать операции геттерирования быстро диффундирующих примесей, способных генерировать преципитаты, области которых характеризуются повышенной напряженностью поля, инициирующей неоднородность плотности тока.

1. Каким образом в транзисторе происходит усиление сигналов по мощности? Как должны быть смещены эмиттер и коллектор в усилительном режиме?

2. Почему транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, может усиливать входной ток?

3. Сформулируйте основные требования к структуре биполярного транзистора.

4. Поясните физические процессы, протекающие в структуре транзистора в усилительном режиме. Чем определяются токи эмиттера, коллектора и базы?

5. Объясните физический смысл компонентов коэффициента передачи тока эмиттера.

6. В чем проявляется эффект сильного легирования эмиттера?

7. Перечислите эффекты больших уровней инжекции в базе транзистора.

8. Почему на малых уровнях инжекции возрастает коэффициент передачи тока эмиттера и базы с увеличением тока коллектора?

9. Поясните физическую сущность уменьшения эффективности эмиттера на БУИ.

10. Чем определяется эффект «оттеснения» тока эмиттера?

11. Какие топологии эмиттера предпочтительней при работе в микрорежиме и на больших токах?

12. Что такое эффект Эрли в биполярных транзисторах?

13. В чем заключается сущность эффекта Кирка?

14. В каких режимах работы проявляется эффект квазинасыщения коллектора?

15. Почему на БУИ боковая инжекция из эмиттера приводит к уменьшению коэффициента усиления?

16. Как зависит коэффициент усиления В транзистора от тока коллектора?

17. Объясните зависимость коэффициента усиления от напряжения коллектора.

18. Чем определяется температурная зависимость коэффициента усиления при различных токах коллектора?

19. Как зависит коэффициент усиления гетероструктурного транзистора от температуры?

20. Перечислите статические характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ.

21. Объясните поведение входных и выходных характеристик в схеме ОБ и ОЭ.

22. Объясните почему максимальное напряжение в схеме с ОЭ (напряжение переворота фазы базового тока) значительно ниже напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода .

23. Какими смещениями переходов, зарядами и токами характеризуется режим насыщения транзистора?

24. Чем определяются предельные напряжения транзистора в схемах ОБ и ОЭ?

25. Почему в инверсном включении транзистора остаточное напряжение меньше, чем в нормальном включении?

26. Почему коэффициент усиления транзистора в инверсном включении меньше, чем в нормальном?

27. Чем отличается дрейфовый транзистор от бездрейфового? Какие характеристики дрейфового транзистора улучшаются?

28. Почему в интегральных схемах используют горизонтальный р-n-р транзистор? Какие у него конструктивные особенности?

29. В каких случаях в ИС используют подложечный р-n-р транзистор?

30. С какой целью в ИС используют составные транзисторы по схемам Шиклаи и Дарлингтона?

31. Какие особенности характеристик мощного монолитного составного транзистора по схеме Дарлингтона по сравнению с обычным транзистором?

32. Какова структура и назначение модуляторного транзистора?

33. Какими факторами обеспечивается быстродействие ключа на лавинном транзисторе?

34. Объясните принцип действия однопереходного транзистора и укажите области применения.

35. Почему при работе транзистора в усилительном режиме на переменном сигнале модуль коэффициента усиления уменьшается, а разность фаз между входным и выходным токами увеличивается с ростом частоты?

36. Перечислите приборные граничные частоты биполярного транзистора.

37. Какими параметрами транзистора описываются физические граничные частоты транзистора ?

38. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора для малого переменного сигнала. Объясните назначение элементов схемы.

39. Нарисуйте АЧХ и ФЧХ транзистора для схем ОБ и ОЭ. Объясните почему приборная частота .

40. Почему приборная частота единичного усиления экстремально зависит от тока коллектора?

41. Как и почему зависят приборные частоты от напряжения на коллекторном р-n переходе?

42. Какими факторами определяется температурная зависимость приборной частоты ?

43. Объясните особенности структуры СВЧ биполярных транзисторов и назовите области их применения.

44. Почему гетероструктурные биполярные транзисторы более быстродействующие, чем гомогенные?

45. В чем заключается метод представления транзистора четырехполюсником?

46. Почему гибридная система Н – параметров используется для описания биполярного транзистора?

47. Нарисуйте двухгенераторные схемы замещения транзистора для Z, Y, и H – параметров.

48. Приведите связь между Z и H – параметрами для транзистора в схеме ОБ и ОЭ.

49. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора в стационарном режиме для модели Эберса – Молла.

50. Напишите основные уравнения зарядоуправляемой модели биполярного транзистора.

51. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора по зарядоуправляемой модели для большого сигнала (рисунок 7.89). Объясните назначение элементов.

52. Нарисуйте и объясните Т – образную (рисунок 7.91) и П – образную (рисунок 7.94) схемы малосигнальной модели транзистора.

53. Зарядоуправляемая модель Гуммеля – Пуна для автоматизированного моделирования P – SPICE.

54. Чем отличаются насыщенный и ненасыщенный транзисторные ключи?

55. Перечислите механизмы, протекающие в структуре транзистора при переключении.

56. Перечислите импульсные характеристики транзистора.

57. В чем заключается преимущество метода заряда по сравнению с методом переходных характеристик и эквивалентных схем при анализе импульсных характеристик транзистора?

58. Как влияет режим квазинасыщения коллектора на длительность переходных процессов высоковольтных транзисторов?

59. Поясните особенности работы транзисторного ключа при индуктивной и емкостной нагрузках.

60. В чем заключается конструкторское, физико-технологическое и схемотехническое направления повышения быстродействия импульсных транзисторов?

61. Что такое область безопасной работы транзистора, и какие пути ее расширения?

Кроме этих режимов существует ещё инверсный режим, который используется очень редко.

Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V — 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен». Все эти режимы можно разъяснить с помощью выходных характеристик транзистора.

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 4.14). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется пропорционально току базы:

Рис. 4.14. Схема усилительного каскада (рисунок выполнен авторами)

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 4.15). На оси абсцисс отложим отрезок, равный Е_К — напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

Где U_КЭ — напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; R_К — сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Рис. 4.15. Режимы работы биполярного транзистора (рисунок выполнен авторами)

Из (4.5.3) следует, что

И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением R_К. Из рис. 4.15 следует, что в зависимости от тока базы Iб, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение U_КЭ, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при I_б=0), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей I_б=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора — эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода — I_К0, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания E_К падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток I_б, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения I_б нас. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока I_К. Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.

Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (Петрович В. П., 2008).

1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов

Главным условием надежной работы транзисторов является обеспечение соответствия областей безопасной работы транзисторов их статическим и динамическим вольт- амперным характеристикам, определяемым условиями работы.

Область безопасной работы силовых транзисторов. На рис. 1.19, а представлены ОБР биполярного транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности Максимальное значение тока коллектора I_s_max и соответствующий ему участок АВ являются предельными значениями постоянного тока.

Участок ВС ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок DЕ соответствует максимальному допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер U_СЕ_mах транзистора, превышение которого приводит к пробою структуры транзистора и выходу его из строя. Ограничение на участке СD определяется вторичным пробоем. Под вторичным пробоем понимают выход из строя транзистора под воздействием локальных перегревов отдельных областей структуры. В импульсных режимах работы границы ОБР расширяются: чем короче импульс, тем шире границы ОБР (кривые 1 и 2 на рис. 1.19, а). При импульсах очень малой длительности (кривая 3) ограни- чение по максимально допустимой мощности отсутствует. Это объясняется инерционностью тепловых процессов, вызывающих перегрев структуры транзисторов.

Рис. 1.19. Области безопасной работы транзисторов:

а – биполярного; б – МОП; в — МОПБТ

Ограничениями, определяющими область безопасной работы МОП- транзисторов (рис. 1.19, б), являются максимальные допустимые значения тока стока I_Dmax(участок АВ) и напряжения сток-исток U_SDmax (участок СD), а также допустимые значения мощности рассеяния (участок ВS), определяемые сопротивлением транзистора в открытом состоянии и напряжением сток-исток . Так же, как и для биполярных транзисторов, границы ОБР для полевых транзисторов в импульсных режимах расширяются (кривые 1, 2, 3). Положительной особенностью области безопасной работы (ОБР) полевых транзисторов, включая и IGBT транзисторы, является отсутствие ограничений, связанных со вторичным пробоем, который в этом классе транзисторов не возникает.

Область безопасной работы МОПБТ может быть при прямом и обратном напряжении (рис. 1.19, в). Область ВАХ, соответствующая об-

ратному напряжению , существует для некоторых типов МОПБТ, что указывается в условиях по их применению [7]. На рис. 1.19, в область обратного напряжения обозначена 1′, 2′, 3′. Для прямых напряжений ОБР МОПБТ имеет сходство с ОБР полевых транзисторов. Максимальное значение тока I_s_max ограничивается условием перехода транзистора в активный режим с повышенным выделением мощности.

Защита транзисторов в динамических режимах работы. Форма динамических ВАХ транзисторов зависит от коммутируемой нагрузки. Например, выключение активно-индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на ключевом элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции L di/dt, возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при уменьшении тока i_н до нуля. На рис. 1.20 приведены типовые схемы, позволяющие исключить или ограничить перенапряжения при коммутации активно-индуктивной нагрузки. Элементы схемы, снижающие перенапряжения, могут рассматриваться как простейшие цепи формирования траектории переключения (ЦФТП).

В схеме на рис. 1.20, а при выключении транзисторного ключа S под воздействием ЭДС самоиндукции (и_L= L di/dt) включается диод VD. При допущении идеальности диода напряжение на ключе и_s становится равным напряжению источника питания Е. После выключения ключа S ток замыкается в цепиR_н — L_н — VD, постепенно затухая до нуля с постоянной времени _н = L_Н/R_Н.

Рис.1.20. ЦФТП на включение активно-индуктивной нагрузки:

а— на основе обратного диода; б – на основе стабилитрона; в – на основе конденсатора;

г – на основе трансформаторной связи

При этом энергия, накопленная в реакторе индуктивностью L_н, потребляется активным сопротивлением R_н. Аналогичный принцип ограничения перенапряжения используется в схеме на рис. 1.20, б. Разница заключается в том, что включение стабилитрона VD, в отличие от диода, происходит при напряжении пробоя стабилитрона, которое соответствует максимальному напряжению на транзисторном ключе S. В схеме на рис. 1.20, в при выключении ключа S ток нагрузки через диод VD заряжает конденсатор емкостью С_s•

Ограничение перенапряжения в схеме на рис. 1.20, г происходит посредством введения дополнительной цепи с диодом VD, имеющей трансформаторную связь с нагрузкой. При выключении ключа S в обмотке N₂ индуцируется ЭДС, под воздействием которой включается диод VD и энергия, накопленная в индуктивности начинает рекуперироваться в источник питания. Перенапряжения на транзисторе и значение рекуперируемого тока определяются соотношением числа витков N₁ и N₂.

На рис. 1.21 представлена схема транзистора с ЦФТП для уменьшения потерь при выключении и временные диаграммы тока транзистора , напряжения и мощности , выделяемой в транзисторе при разных значениях .

Из диаграмм видно, что увеличение затягивает нарастание напряжения на конденсаторе и уменьшает выделяемую в транзисторе при его выключении энергию =s dt. Накопленная в конденсаторе энергия потребляется резистором при включении транзисторного ключа S. Сопротивление резистора должно обеспечивать за время включенного состояния транзистора разряд конденсатора .

Рис. 1.21. ЦФТП на включение при разных значениях емкости: а— принципиальная схема; б— диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при = 0; в – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при недостаточной емкости ; г – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при достаточно большой емкости

Обычно при проектировании минимизируют суммарную мощность, выделяемую в транзисторе и резисторе . Для этого рассчитывают оптимальные значения и С_s. Для вывода этой энергии к моменту очередного выключения ЦФТП должна иметь дополнительные элементы. В частности, для этой цели можно использовать дополнительный резистор и диод VD_s. Так как ключевой режим работы транзисторов зависит от периодической коммутации, используют схемы ЦФТП, формирующие необходимые траектории как при включении, так и при выключении (рис. 1.22). В отличие от биполярных в МОП- транзисторах не происходит вторичный пробой, что облегчает задачу их защиты. Кроме того, во включенном состоянии эти транзисторы характеризуются большими значениями эквивалентного сопротивления _оп..

При выключении активно-индуктивной нагрузки для вывода энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, используют те же способы, что и для биполярных транзисторов ( рис. 1.22). Однако для снятия перенапряжений, обусловленных малыми значениями монтажных индуктивностей и в то же время высокими значениями ,/dt используют RC-цепи, подключенные параллельно транзистору (рис. 1.23), которыми, как правило, и ограничиваются.

МОПБТ обладает повышенной устойчивостью к короткому замыканию. Это обусловлено слабой зависимостью его напряжения насыщения от больших токов. Напряжение насыщения МОПБТ определяется значением напряжения управления, подаваемого на затвор транзистора, которое выбирается с учетом тока короткого замыкания.

Рис.1.22. Пример схемы ЦФТП на включение Рис.1.23. ЦФТП МОП- VT

и выключение на основе RC

Другим фактором, обеспечивающим устойчивость МОПБТ к режимам короткого замыкания, является отрицательное значение температурного коэффициента тока в отличие от положительного его значения у биполярных транзисторов. В этой связи ток короткого замыкания МОПБТ уменьшается при повышении температуры. Эти особенности МОПБТ позволяют кратковременно обеспечить значительное повышение тока коллектора МОПБТ в режиме короткого замыкания без выхода из области безопасной работы.

1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов

Главным условием надежной работы транзисторов является обеспечение соответствия областей безопасной работы транзисторов их статическим и динамическим вольт-амперным характеристикам, определяемым условиями работы.

Область безопасной работы силовых транзисторов.

На рис. 1.36, а представлены ОБР биполярного транзистора при постоянном и импульсном токах различ-

Рис. 1.36. Области безопасной работы транзисторов:

а — биполярного; б — МОП; е — МОНЕТ ной длительности. Максимальное значение тока коллектора 1_С тах и соответствующий ему участок АВ являются предельными значениями постоянного тока. Участок ВС ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок ОЕ соответствует максимальному допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер и_СЕ тах транзистора, превышение которого приводит к пробою структуры транзистора и выходу его из строя. Ограничение на участке СО определяется вторичным пробоем. Под вторичным пробоем понимают выход из строя транзистора под воздействием локальных перегревов отдельных областей структуры [12]. В импульсных режимах работы границы ОБР расширяются: чем короче импульс, тем шире границы ОБР (кривые 1 и 2 на рис. 1.36, а). При импульсах очень малой длительности (кривая 3) ограничение по максимально допустимой мощности отсутствует. Это объясняется инерционностью тепловых процессов, вызывающих перегрев структуры транзисторов.

Ограничениями, определяющими область безопасной работы МОП-транзисго- ров (рис. 1.36, б), являются максимальные допустимые значения тока стока 1 тах (участок АВ) и напряжения сток-исток и_5Е) тах (участок СП), а также допустимые значения мощности рассеяния (участок ВС), определяемые сопротивлением транзистора в открытом состоянии В

Область безопасной работы транзистора

Читайте также:

I. Область применения
II. Основные направления социально-медицинской работы с семьями детей ограниченными возможностями
III. Лекционный материал по теме: ПРАВИЛА РАБОТЫ НА ЛЕКЦИИ
IX. Лекционный материал: ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
N В условиях интенсивной мышечной работы, при гипоксии (например, интенсивный бег на 200м в течении 30 с) распад углеводов временно протекает в анаэробных условиях
Uniоn(область1, область2)
VIII. Принципы работы вычислительной системы
Автоматизация группы работы приточных систем
Административное право как область права и законодательства, как юридическая наука, учебная дисциплина и учебный курс.
Алгоритм работы при соединении двух FTP-серверов, ни один из которых не расположен на локальном хосте пользователя.
Алгоритм работы с группами общественности.
Алюминиевые сплавы, их свойства и особенности работы

Работа транзистора в каком-либо предельном режиме приводит к снижению надежности всего устройства. Поэтому назначение предельных режимов работы одного или нескольких транзисторов в схеме должно быть четко обусловлено технико-экономическими требованиями. Работа транзистора в совмещенных предельных режимах (например, по току коллектора и рассеиваемой мощности) не допустимо ни в каком случае.

Для любого транзистора в схеме существует некоторая область безопасной работы, рис. 2.49.

Рис.2.49. Область безопасной работы транзистора

Как видно из данного рисунка, для предотвращения отказа транзистора при увеличении напряжения между коллектором и эмиттером необходимо уменьшение коллекторного тока. Самая «узкая» область соответствует постоянному току. При импульсном токе коллектора эта область расширяется. Причем чем меньше длительность импульса, тем «шире» область безопасной работы (₁>₂, рис. 2.49).

В ряде электронных устройств или даже микросхем происходит автоматическое отслеживание области безопасной работы транзисторов в соответствии с принципом: I_к ► U_кэ ¯.

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 2010 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

7 Предельные режимы работы транзисторов

Лекция 7. Предельные режимы работы транзисторов

Параметры предельных режимов. Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и токами, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибора. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения основных параметров транзисторов, могут быть: слишком высокое обратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при увеличении тока через переходы.

В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются предельные эксплуатационные параметры:

• максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер t/кэ.накс

ИЛИ СТОК-ИСТОК С/си.макс;

• максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер

^.„.макс ИЛИ СТОК-ИСТОК t/си.и.макс;

• постоянный или импульсный токи коллектора /к.макс и /к.и.макс и такие же значения тока стока полевых транзисторов;

• ПОСТОЯННЫЙ ИЛИ ИМПУЛЬСНЫЙ ТОКИ баЗЫ /5.макс и ^.и.макс;

• постоянное или импульсное напряжение на затворе U,^w и ^з.и.макс;

• постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора P^uaw или ^к.и.мако или аналогичные мощности, рассеиваемые стоками Рс.шкс и •/’с.и.макс;

• предельная температура перехода Тдшкс или корпуса прибора Т^жс-Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одного из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достижением максимальной температуры перехода.

Виды пробоев. Механизмы развития пробоев в транзисторах могут быть различными,

независимо от этого все виды пробоев можно условно разделить на первичные и вторичные. Первичные пробои транзистора отличаются тем, что

Рис 7 1 Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора (а) и полевого транзистора (б) при лавинном пробое

они являются обратимыми Если транзистор попадает в режим первичного пробоя, то его нормальная работа нарушается, однако при выходе из режима пробоя его работоспособность восстанавливается Любой вторичный пробой необратим, так как после него происходит деградация транзистора, обусловленная порчен переходов Основными видами первичных пробоев являются лавинный, тепловой и токовый

Лавинный пробой иногда называют электрическим, так как он возникает при высоком значении напряжения обратно смещенного перехода. Коэффициент лавинного размножения носителей можно приблизительно оценить по формуле

где С/кэо — напряжение пробоя при включении между базой и эмиттером сопротивления R^ (при Rэ = 0),

• напряжение t/кэк — напряжение лавинного пробоя при базе, закороченной с эмиттером (Рб=0) Все эти напряжения лавинного пробоя меньше напряжения пробоя перехода коллектор — база U^ „роб, т е [/„g „роб > ^юк > ^4эк > ^кэо На рис 7 2 показаны вольт-амперные характеристики транзистора в режиме лавинного пробоя при различных условиях в его базе Отсюда видно, что при использовании транзистора при напряжениях, близких к пробою, можно существенно влиять на напряжение пробоя схемным путем

Рис. 7.2. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в режиме лавинного пробоя при различных сопротивлениях в его базе

Тепловой пробой транзистора возникает вследствие лавинообразного нарастания температуры ^-и-перехода. С ростом температуры перехода возрастают токи утечки и полупроводник переходит в проводящее состояние, а р-п-переход исчезает. Такое явление называют переходом кристаллов в состояние собственной проводимости.

В реальных условиях это явление не всегда ограничивает рост температуры, так как уже при более низких температурах может наблюдаться резкая зависимость от температуры одного или нескольких из основных параметров, например, коэффициента передачи тока или предельного рабочего напряжения.

Рассеяние мощности транзистором имеет место при любом режиме работы, однако оно максимально, когда транзистор находится во включенном состоянии или выключается. При высокой частоте коммутации потери растут пропорционально частоте. С увеличением потребляемой мощности растет и температура транзистора.

Для оценки теплового режима транзистора используют понятие теплового сопротивления, под которым понимают сопротивление элементов транзистора распространению теплового потока от коллекторного перехода к корпусу или в окружающую среду. Тепловое сопротивление между переходом и корпусом определяют как отношение разности температур перехода Гц и корпуса 7^ к мощности J’„o„ потребляемой транзистором. Таким образом, тепловое сопротивление определяется как перепад температуры на единицу греющей мощности:

Аналогично, тепловое сопротивление переход-среда определяется как отношение разности температур перехода Гд и окружающей среды 7с к мощности потерь рпот в транзисторе:

Если в транзисторе протекает импульсный ток, то тепловое сопротивление будет зависеть от времени. В этом случае оно называется переходным и зависит от формы импульсов тока и момента времени, в который оно определяется.

В справочных данных на транзисторы обычно приводятся:

• тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-среда) R^ „ к,

• предельно допустимая температура перехода Тпнакс;

• предельная средняя (или импульсная) мощность потерь в транзисторе .Рлотм-чсс;

• предельно допустимая температура корпуса прибора Ткмакс-Температуру корпуса транзистора можно измерять непосредственно. Для этого на мощных приборах может быть указана точка, в которой следует производить это измерение. Непосредственно измерить температуру перехода транзистора в процессе эксплуатации практически невозможно. В связи с этим используют косвенные методы, основанные на температурной зависимости какого-либо параметра. Такие методы обычно не дают возможности определить температуру в наиболее горячих точках структуры, которые возникают из-за разброса электрофизических свойств кристалла или дефектов конструкции Для определения усредненной температуры перехода используют тепловое сопротивление. Эффективная температура перехода в установившемся режиме может быть определена по формулам

С другой стороны, располагая сведениями о максимально допустимой температуре перехода Гц „ако можно определить допустимую мощность потерь в транзисторе

где Гпщке^ОС^С для кремния и 150°С — для германия.

Из формулы (7.9) следует, что при температуре среды, равной Т^Т^^ш» транзистор использовать практически невозможно, так как допустимая мощность потерь в нем равна нулю. Поскольку мощность, потребляемая транзистором, в основном расходуется на коллекторном переходе, то

что определяет гиперболу максимальной потребляемой мощности, график которой приведен на рис. 7.3.

Рис 7 3 Построение гиперболы максимальной потребляемой мощности

Поскольку при постоянных значениях 7с и R^ „ с потребляемая транзистором мощность однозначно определяет температуру перехода, то гипербола максимальной потребляемой мощности является границей развития теплового пробоя.

Токовыи пробои транзистора возникает при достижении током максимально допустимого значения. Теоретическое значение максимального тока коллектора определяется равенством общего подвижного заряда в области коллектор-эмиттер и общего постоянного пространственного заряда, определяемого по формуле

где Ск — емкость коллектор-база (пропорциональная площади коллекторного перехода), E^WBIcM — пробивная напряженность поля, Р^б-К^см/с — скорость насыщения дрейфа носителей заряда

На практике это значение тока никогда не достигается и обычно значение Is. макс определяется возможностью повреждения соединений (перегоранием проводников) внутри транзистора. Значение максимального допустимого тока /к макс обычно указывается в справочных данных транзистора

В ряде случаев максимально допустимый ток транзистора определяется по снижению коэффициента передачи тока ниже определенного значения. Если токо-вый пробой не связан с перегоранием соединительных проводников, то он является обратимым.

Рис 7 3 Построение гиперболы максимальной потребляемой мощности

Вторичный пробой транзистора возникает или после развития одного из видов первичного пробоя, или непосредственно, минуя развитие первичного пробоя. Непосредственное развитие вторичного пробоя происходит обычно в областисравнительно высоких напряжений на коллекторе и связано с развитием так называемого «токового шнура». При этом коллекторный ток концентрируется в очень малой области коллектора, которая проплавляется и замыкает коллектор с базой. Вторичный пробой происходит при значениях тока и напряжения, меньших гиперболы максимальной мощности (рис 7.3)

Если транзистор работает в усилительном режиме, то развитие вторичного пробоя и возникновение токового шнура связано с потерей термической устойчивости, при которой увеличение тока в каком-либо месте структуры приводит к повышению ее температуры, а повышение температуры увеличивает ток Этот процесс нарастает лавинообразно и приводит к проплавлению структуры

Электрический и тепловой механизмы развития вторичного пробоя являются не единственными В реальных транзисторах концентрация тока и развитие вторичного пробоя могут быть результатом наличия дефектов в кристалле, плохого качества пайки и др Но какова бы ни была причина развития вторичного пробоя, результатом его является шнурование тока и локальный перегрев с проплав-лением кристалла

Для развития вторичного пробоя требуется определенное время, которое может составлять 1 ЮОмкс. Это время называют временем задержки развития вторичного пробоя Если время нахождения транзистора в опасном режиме меньше времени развития вторичного пробоя, то вторичный пробой не возникает. Поэтому при коротких длительностях импульсов тока в транзисторе вторичный пробой может и не развиться. Исследования показали, что при развитии вторичного пробоя (во время задержки) в цепи базы могут возникать автоколебания сравнительно высокой частоты, которые могут быть использованы для предсказания опасною значения тока и защиты транзистора.

На рис 7 4 показаны вольт-амперные характеристики транзистора при разви

тии вторичного пробоя из различных областей из области усилительною режима (а), области пассивного запирания (б) и области активного запирания (при обратном смещении эмиттерного перехода) (в) Во всех трех случаях при развитии вторичного пробоя происходит резкое увеличение тока коллектора и снижение напряжения на коллекторе, связанное с проплавлением коллекторного перехода

Вторичный пробой отсутствует в полевых транзисторах Так, например, для полевых транзисторов с управляющим /7-й-переходом с увеличением температуры ток

Рис 7 4 Графики развития вторично! о пробоя из области усилительного режима (а), области пассивного запирания (б), и области активного запирания (в)

Рис 7 5 Температурная зависимость тока стока полевого транзистора с р-п-переходом

стока уменьшается, как показано на рис. 7 5 Таким образом, разогрев структуры при протекании тока стока приведет к его снижению, а не к увеличению, как в биполярном транзисторе Последнее говорит об отсутствии положительной тепловой обратной связи и невозможности саморазогрева полевого транзистора

Область безопасной работы транзистора определяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в координатах /к (U^) Различают статическую и импульсную ОБР Статическая ОБР (рис. 7 6 я) ограничивается участками то-

кового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного пробоя (4). При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током коллектора Iv. и макс и максимальным импульсным напряжением пробоя С/кэимакс- При малых

Рис 76 Области безопасной рабогы биполярного транзистора в статистическом режиме (л) и импульсном режиме (б) при различных длительностях импульсов тока коллекюра

длительностях импульсов на ней могут отсутствовать участки, обусловленные тепловым пробоем При длительности импульса менее 1 мкс импульсная ОБР имеет только две границы /к и макс и Гришке- При увеличении длительности импульса появляются участки, ограничивающие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2)

Границы областей безопасной работы транзистора зависят от температуры его корпуса С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево Границы ОБР, обусловленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не зависят

Защита транзисторов от пробоя. При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБР без выхода за ее пределы Даже кратковременный выход рабочей точки за пределы соответствующей ОБР влечет за собой попадание транзистора в область пробоя С целью защиты транзистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме Для этого к транзистору подключают дополнительные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны Параметры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем Некоторые из таких схем приведены на рис 7 7

! Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, j состоит из последовательно соединенных элементов R и С, как показано на j рис 7 7 а Эта цепь работает следующим образом При запирании транзистора

(с индуктивной нагрузкой ток в индуктивности, не меняя своего значения и направления, поступает в 7?С-цепь и заряжает конденсатор С При этом часть энергии запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе Л. Благодаря этому

Рис 77 Защита транзистора от лавинного пробоя при помощи ДС-цепи (а), шунтирующего диода (б) и стабилитрона (в) исключается импульс большой амплитуды на коллекторе транзистора, который вывел бы рабочую точку за пределы ОБР. Элементы такой цепи рассчитываются по формулам:

где um — разность между напряжением источника питания Е^ и максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, определяемым по соответствующей ОБР

Вместо 7?С-цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представленную на рис 7.76. В этой схеме при запирании транзистора отпирается диод D, и через него проходит ток индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды импульса тока в диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление R Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению напряжения на диоде, т. е. практически отсутствует.

Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора при его запирании можно использовать ограничитель на стабилитроне D, как показано на рис. 7.7 в. Все рассмотренные цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавинного пробоя.

Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим теплового пробоя применяют охладители, к которым крепится корпус транзистора. Применение

охладителей позволяет уменьшить перегрев транзистора.

Наиболее сложной проблемой является защита транзисторов от вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор теряет управление по базе, и даже подавая на базу обратное смещение, запереть его нельзя. Единственным способом защиты транзистора в этом случае является распознавание развития вторичного пробоя во время задержки и шунтиро-вание выводов коллектор-эмиттер транзистора с помощью быстродействующего тиристора.

Упрощенная схема защиты транзистора от вторичного пробоя приведена на рис 7.8. Схема содержит устройство управления тиристором D защиты, который шунтирует транзистор Т при появлении в его базе колебаний, предшесгвую-ших развитию вторичного пробоя

Рис 7 8 Защита транзистора от вторичного пробоя

Раздел 2 АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Источники:

http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/3784/Kursus.zip/4_5_____.html
http://studfiles.net/preview/6270824/page:10/
http://ozlib.com/849683/tehnika/obespechenie_bezopasnoy_raboty_tranzistorov
http://studopedia.su/9_41547_oblast-bezopasnoy-raboti-tranzistora.html
http://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/2109-jelektrotehnika-i-osnovy-jelektroniki/40986-7-predelnye-rezhimy-raboty-tranzistorov.html