Способ работы силового транзистора Российский патент 2024 года по МПК H01L27/14 H01L31/16 

Изобретение относится к области физической электроники, а именно к работе силовых биполярных и полевых транзисторов, и может быть использовано в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, в частности для усилителей мощности класса А и силовой электроники, в частности для переключателей.

Известны подходы к повышению эффективности работы оптронов за счет подключения к ним в различных комбинациях дополнительных источников оптического излучения в виде светодиодов, что отражено в патентах SU 445153 A1, RU 2201017 C2, SU 438118 A1 и RU 102850 U1.

Общим недостатком данных подходов является их непригодность для создания силовых полупроводниковых приборов.

В качестве прототипа выступает принцип работы фототранзистора и способ управления быстродействием транзисторов, патент RU 2799113 С1. Фототранзистор - это разновидность оптрона, в котором применена гальваническая развязка и вместо управляющего электрода используется освещение полупроводникового слоя. На практике находят применение оптроны, которые состоят из излучателя и фотоприемника в едином корпусе. Как правило, излучателем является светодиод. Фототранзисторы используются в качестве маломощных реле, датчиков охранных систем и датчиков уровня, в системах регистрации данных, в кодерах, в компьютерных логических системах управления, в автоматических системах управления освещением.

Недостатком фототранзисторов является отсутствие среди их разновидностей силовых приборов.

Известен способ повышения быстродействия транзисторов и транзисторных интегральных схем, патент RU 2799113 С1. Способ заключается в том, что транзистор или интегральная схема дополняется излучателем в виде светодиода или маломощного лазера. В процессе работы на функциональный кристалл воздействует непрерывный стационарный поток фотонов, испускаемый излучателем. Внешнее излучение приводит к уменьшению напряжений открывания и увеличению коэффициентов усиления биполярных транзисторов, снижению пороговых напряжений и напряжений отсечки полевых транзисторов, увеличению быстродействия и радиационной стойкости транзисторов и интегральных схем на их основе.

Недостатком данного способа является то, что он не адаптирован и не применен к силовым приборам, которые работают при больших токах вплоть до 50 А.

Задача, решаемая изобретением: повышение эффективности работы силовых биполярных и полевых транзисторов.

Задача решается путем включения в конструкцию силовых транзисторов инфракрасного излучателя, который создает непрерывный поток электромагнитного излучения для постоянной генерации в транзисторах неравновесных носителей заряда.

Реализация способа состоит в следующем. Силовые биполярные и полевые транзисторы отличаются от маломощных приборов применением в них толстых полупроводниковых слоев, вертикальных конструкций, мезопланарной технологии, IGBT-технологии с переходом от планарной структуры к структуре с «утопленным» каналом, созданием специальной разветвленной сети базовых и эмиттерных электродов. Чтобы обеспечить дополнительную генерацию неравновесных носителей заряда, поверхность транзистора непрерывно облучается инфракрасным излучением, которое почти не отражается от поверхности и поглощается в объеме структуры. В результате облучения происходит увеличение концентрации неравновесных подвижных носителей заряда, увеличение их диффузионных длин и времен жизни за счет насыщения ловушек и центров рекомбинации, а также фотовольтаический эффект, который приводит к появлению добавочных токов в транзисторной структуре. В биполярных силовых транзисторах непрерывная фоновая засветка инфракрасным излучением уменьшает влияние рекомбинации неравновесных носителей заряда, увеличивает эффективность эмиттера и коэффициенты усиления по току, уменьшает напряжения открытия, интенсифицирует перенос неосновных носителей в базе и увеличивает ток коллектора. В полевых силовых транзисторах МОП и с управляющим p-n-переходом непрерывная фоновая засветка инфракрасным излучением снижает пороговое напряжение и напряжение отсечки, а также увеличивает токи основных носителей заряда в каналах, увеличивается ток стока. В усилительных каскадах на силовых биполярных и полевых транзисторах с инфракрасным воздействием происходит увеличение тока покоя без применения цепей смещения. Тем самым повышается чувствительность каскадов по входу. Применение светодиодов видимого диапазона для силовых транзисторов оказывается не таким эффективным, как для маломощных транзисторов, которые рассмотрены в патенте RU 2799113 С1.

На фиг. 1-5 представлены примеры осуществления изобретения в виде некоторых статических и динамических характеристик ключа на мощном биполярном n-p-n-транзисторе 2Т803А со встроенным инфракрасным светодиодом. В схеме на фиг. 1 для удобства измерений установлены одинаковые резисторы R1=R2=5.1 кОм, напряжение питания 10 В. Коэффициент передачи ключа по напряжению в данном случае численно равен коэффициенту передачи тока в схеме с общим эмиттером в активном режиме. На фиг. 2 показана зависимость этого коэффициента от мощности постоянного электрического сигнала на светодиоде. Здесь в широком диапазоне наблюдается линейная зависимость. Темновой коэффициент усиления транзистора составляет 16. При включении инфракрасного излучения коэффициент усиления может возрастать в 20 раз. На фиг. 3 приведены зависимости тока покоя каскада в зависимости от напряжения на входе: кружки - темновая характеристика; квадратики - характеристика при включенном инфракрасном светодиоде, напряжение 1.2 В, ток 0.06 А. Можно видеть, что даже в отсутствие смещения на базе транзистора и при наличии резистора R2 в коллекторной цепи протекает небольшой ток покоя порядка 0.1 мА. Это делает схему чувствительной к малым изменениям входного напряжения. На фиг. 4, 5 приведены осциллограммы входных (200 мВ/дел) и выходных (2 В/дел) сигналов при выключенном (фиг. 4) и включенном (фиг. 5) инфракрасном светодиоде. По данным осциллограммам видно, что облучение мощного транзистора инфракрасным излучением приводит к повышению чувствительности схемы и уменьшению нелинейных искажений выходного сигнала. Путем применения инфракрасного излучателя эффективно устраняется клиппинг или отсечка сигнала.

Технический результат: повышение коэффициентов передачи токов биполярного транзистора, увеличение удельной крутизны затвора полевого транзистора, увеличение токов коллектора и стока, увеличение тока покоя усилительных каскадов, снижение порогов переключения, увеличение чувствительности по входу, уменьшение нелинейных искажений.

Изобретение относится к области физической электроники, а именно к работе силовых биполярных и полевых транзисторов, и может быть использовано в бытовой радиоэлектронной аппаратуре и силовой электронике. Способ формирования пары силовой транзистор и излучатель электромагнитного излучения включает воздействие на полупроводниковую транзисторную структуру непрерывного потока электромагнитного излучения от излучателя для осуществления постоянной генерации в полупроводниковой структуре транзистора неравновесных носителей заряда, согласно изобретению при воздействии непрерывного потока электромагнитного излучения для осуществления постоянной генерации неравновесных носителей заряда в полупроводниковой транзисторной структуре силового биполярного или полевого транзистора в качестве источника электромагнитного излучения используют источник электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. Технический результат изобретения состоит в повышении коэффициентов передачи токов биполярного транзистора, увеличении удельной крутизны затвора полевого транзистора, увеличении токов коллектора и стока, увеличении тока покоя усилительных каскадов, снижении порогов переключения, увеличении чувствительности по входу, уменьшении нелинейных искажений. 5 ил.

Способ формирования пары силовой транзистор и излучатель электромагнитного излучения, включающий воздействие на полупроводниковую транзисторную структуру непрерывного потока электромагнитного излучения от излучателя для осуществления постоянной генерации в полупроводниковой структуре транзистора неравновесных носителей заряда, отличающийся тем, что при воздействии непрерывного потока электромагнитного излучения для осуществления постоянной генерации неравновесных носителей заряда в полупроводниковой транзисторной структуре силового биполярного или полевого транзистора в качестве источника электромагнитного излучения используют источник электромагнитного излучения инфракрасного диапазона.