Способ выключения транзисторов Советский патент 1991 года по МПК H01L29/73 

Изобоетение относится к радиотехнике и преобразовательной технике и монет быть использовано для управления ключевым режимом работы полупроводниковых приборов с поперечным расположенном управляющих p-n-переходов относительно направления основного тока, например Ьи- полярных транзисторов.

Наиболее отпетственным этапом периодического процесса переключения стора является этап выключения особенно при индуктивном характере нагрузки, поскольку в это время на транзисторе выделяется большое Напряжение при большом токе и, кроме того происходит динамическая перестройка eip Kiy;jDi распределения накопленного во ьк/ио очном cro rii- i . га- ряда. CyiMhQcTb процесса (ы лючепиг- транзистора СОСТОИТ В d Ы ПОДс; U . t ci i f1 Ч Н Ы X

неог.нсгнь .ч ниоптс.твй J/IGK гри :od:- .4 о заряда из РЫ:.ОКООМНОЙ области коллектора (ВОК). & та1 лсо из облаете-- яктпиной и пас- СИРНОЙ б,.- путем создания аыклк чаюи -го базового окл. Из-:-. нэличич -.онечного электрического сопр тгйлеси.ч оСллстеи базы при пр- тсхании 1ыключ-эю1асго базоного гока едоль поверхности улр38ляЮ1це 0 перехода эмиттер - база возникает градиент потенциала и центральные области эмиттера инжектируют силь ее, чем периферийvj

р

Ьо

4 СЛ vl

ные, в результате чего происходит повышение плотности тока и напряженности электрического поля у подложки коллектора над центром эмиттера. Это может привести к обратному вторичному пробою и является основным фактором, ограничивающим быстродействие транзистора при выключении, поскольку с увеличением выключающего тока базы эффект усиливается. То же происходит и при повышении коммутируемого напряжения Способ выключения транзистора с размыканием внешней цепи эмиттера в значительной степени устраняет указанный недостаток и позволяет добиться повышения быстродействия, однако характер движения носителей в базе остается диффузионным и маусимальное быстродействие не достигается. Кроме того, дополнительный ключ в цепи эмиттера требует существенной мощности управления, поскольку этот ключ проводит полный ток эмиттера в течение всего времени включенного состояния транзистора.

Цель изобретения - повышение быстродействия за счет ускорения процесса вывода избыточных неосновных носителей из ВОК и базы биполярного транзистора, а также снижение мощности ь цепях управления транзистпг ом за ХРГ уменьшения времени их работы.

На фиг. 1 показгл з структура мощного биполярного высоковольтного транзистора (МВБТ) п+-р-п - гЛ-типа.

Коллектор содержит внешний электрод 1, п - г/ переход 2. ВОК 3, переход 4 коллектор - база, активную базу 5. пассивную базу 6, электрод 7 базы, переход 8 эмиттер - база, центр 9 эмиттера, край 10 эмиттера, электрод 1 1 эмиттеоа. линию 12 выхода п--- рехода эмиттер - база на поверхность norv- проводника.

При выключении транзистора начиная с момента, когда напряжение на переходе 4 коллектор - база становится равным нулю к переходу 8 эмиттер - база подключают источник обратного смещения, величина которого больше, чем напряжение лавинного пробоя этого перехода. За счет энергии источника обратного напряжения поддерживают лавинный обратный ток 13 перехода эмиттер - база на уровне меньшем, чем ток 14 коллектора, например 0,,5 от тока коллектора, до окончания спада тока коллектора, затем отключают обратное напряжение от перехода эмигтер - база

После подачи обратного напряжения указанной величины динамика носителей в транзисторе приобретает характер, сущест- венноотличающийся от рассмотренных случаев. За счет протекания большого

выключающего тока 15 базы вдоль пере ода 8 эмиттер - база обратное смещение на переходе увеличивается по мере удаления от центра 9 эмиттера к его краю 10, где оно

оказывается достаточным для того, чтобы инициировать левинный пробой. Если мощность источника обратного напряжения достаточна для поддержания лавины то данный пробой становится полностью уп0 равляемым. Это означает, что его можно как возбудить, так и погасить, причем и то и другое в течение очень коротких промежутков времени - порядка времени диэлектрической релаксации в полупроводнике, г. е.

5 приблизительно 10 с. Таким образом, подбирая соответствующую величину управляющего обратного смещения, можно реализовать режим, когда лавинный пробой захватывает полуцилиндрическую обтясть

0 16, располагающуюся в основном в активной 5 и пассивной 6 базах и имеющую осью линию выхода 12 перехода 8 эмиттер - база на поверхность полупроводника. Генерируемые лавинной дырки 17 дрейфуют к олект5 роду 7 базы, генерируемые электроны 18 - к электроду 11 эмиттера.

Наиболее существенным в этом процессе является то. что выводимые из ВОК 3 дырки 19 захватываются мощным полем

0 пдоины 16, ускоряются им и с высокой скоростью дрейфуют к электроду 7 базы. Диффузионный механизм вывода дырок, таким образом, в значительной степени заменяется дрейх| овым. что приводит к сущестаен5 ному уменьшению времени выключения, т. е. повышению быстродействия МВБТ. Скорость диффузии носителей в современных МВБТ составляет 0,05 -0,5 мкм/не, поэтому типичное время спада тока коллектора при

0 известных способах выключения равно приблизительно 100 не. Насыщенная скорость дрейфа носителей равна 60 мкм/не, поэтому теоретически время спада тока коллектора для тех же транзисторов при дрейфовом

5 механизме вывода носителей, как в предлагаемом способе, может быть снижено до единиц наносекунд.

В терминах внешних токов транзист ора существенным является возникновение обратного тока 13 эмиттера, представляющего

0 собой электронную составляющую 18 тока лавины, и увеличение на эту же выключающего тока 15 базы, соответствующего в то же время дырочноР, составляющей 17 тока лавины. Выключающий ток 15 базы

5 оказывается равным сумме тока 14 коллектора и тока 13 эмиттера. Несмотря на столь большую величину выключающего базового тока средняя мощность цепей управления выключением согласно предла.аемому i-.noсобу значительно снижается поскольку цепь источника обратного напряжения перехода эмиттера-база проводит большой ток лишь в течение очень короткого времени выключения МЗБТ, а в течение всего остального времени находится в непроводящем состоянии.

Для осуществления предлагаемого способа требуются общеизвестные технические срэдства, устройства и приборы.

На фиг. 2 приведена структурная схема установки, с помощью которой были исследованы условия реализации предлагаемого способа выключения транзисторов

Установка состоит из задающего генератора 20, схемы 21, задержки положительного фронта, предварительного 22 и оконечного 23 усилителей прямого тока, блока 24 резисторов, блока 26 питания, блока 27 резисторов нагрузки, блока 28 индук- тивностей, блока 29 питания, усипителя 30 нелинейной отрицательной обратной связи (НООС), его блока 31 питания схемы 32 задержки, схемы 33 формирования длительности импульсов выключающего тока, предварительного 34 и оконечного 35 усилителей обратного тока, блока 36 резисторов, блока 37 питания, диода 38, емкостного накопителя 39,источника 40 питания, осциллографа 41, датчиков тока коллектора 42. базы 43 и эмиттера 44 и схемы 45 защиты МВ5Т.

Установка работает следующим obpa- зом.

От задающего генератора 20 на схему 21 задержки поступает сигнал типа меандр положительная полуволна которого усиливает предварительным 22 и оконечным 23 усилителями прямого тока и через блок 24 резисторов поступает на базу МВБТ 25, включая его. Величину прямою тока базы и степень насыщения МВБТ можно изменять подбором суммарного сопротивления блока 24 резисторов. Питается канал прямого тока от блока 26 питания. Нагрузочная цепь МВБТ состоит из блока 27 резисторов, блока 28 индуктивности и блока 29 питания. Подбором сопротивления блока 27 можно изменять рабочий ток МВ6Т подбором соотношения параметров блоков 27 и 28 - угол индуктивной расстройки нагрузочной цепи. Для вывода МВБТ из насыщения служит канал НООС, состоящий, из усилителя 30 и блока 3 его питания. Нл усилитель 30 сигнал поступает без задержки непосредственно от генератора 20 Канал выключающего базового тока МВБТ состоит из элементов 32-37. Отрицательный фронт сигнала генератора 20 через схему 32 задержки поступает на схему 33 формирования длительности импульсов выключающего тока, которые усиливаются предварительным 34 и оконечным 35 усилителями Величина выключающего базового тока МВБТ изменяется при помоши блока 36 резисторов и

блока 37 питания. Момент подключения обратного напряжения к переходу эммттир - база через канал выключающего тока соответствует моменту, когда напряжение на переходе коллектор - база становится равным

0 нулю. Величина обратного напряжения может изменяться путем изменения выходного напряжения блока 37 питания. Таким образом, можно установить величину обратного напряжения перехода эмиттер - база.

5 превышающую напряжение лавинного пробоя этого перехода, и за счет энергии блока 37 питания поддерживать обратный ток перехода эмиттер - база на заданном уровне до окончания спада тока коллекторе После

0 этого при помощи схемы 33 можно чить обратное напряжение от перехода эмиттер база.

Нарастание напряжения на коллекторе при выключении МВБТ ограничивается схе5 мой на диоде 38, емкостном накопителе 39 и источнике 40 питания накопителя. По достижении напряжением коллектора уровня ограничения начинается спад токт коллектора. Осциллограммы токов колпектооа ба

0 зы и эмиттера можно наблюдать на экране осципло рафа 41 при помощи датчиков тока 42, 43 и 44 соответственно Порехпрт тока коллектора с появлением признаков обратного вторичного пробоя осуществляется

5 схемой 45 защиты

Предлагаемая }станочка позволяет определить повышение быстродействия МВЬТ при выключении а экже уменьшение мощности цепей управления для исех

0 типов МВЬТ.

Формула изобретения Способ выключения транзисторов, основанный на выводе избыточных неосновных носителей заряда из высокоомнои

5 области коллектора путем отвода их по-ока в область пассивной базы к базовому эпек- троду, отличающийся тем что, с цет.ю повышения быстродействии снижения мощности в цепях управления начин.чя с

0 момента, когда напряжение .тер Ьз- за становился равным нулю, к перооду эмиттер - база подключают обратное напряжение превышающее напряжение лавинного пробоя, при этом 3d счет энепгии

5 источника обратного напряжения поддерживают обратный ток перехода эмиттер - база меньшим тока коллектора до окончания спада тока коллектора, затем отклпча ют ос/ратное напряжение от перехода эмиттер - база.

ft

Изобретение относится к радиотехнике и преобразовательной технике и мохет быть использовано для управления ключевым режимом биполярных фанзисторор. Целью изобретения является повышение быстродействия и снижение мощност; G цепях управления. Способ выключения тоаг.-2 зисгоров основан на использовании явле- нияуправляемого лавинного разряда на пере х с л: е э м м т т е п - б а з а . В результате дополнения диффузионного механизма вывода носителей из областей структуры транзистора дрейфовым механизмом происходит ускорение протекания всех стадий процесса выключения, в том числе нарастания коллекторного напряжения и спада тока коллектора, что клпОстее в г я: но для уменьшения потерь при Нп1к ючет;и. Cy.CTtiei - но ослабляются yciouiv- озни .иесия обратного пообоя по сровнен .о С ГрадИЦИОН - Ы С ОС:- / : J3G Ле IUi4 трянзисгорг и по .:. ;ме с . рем ,-1 у: л1 - И&аетс скооос п о с. : вне к и ;о си с п о . о б с- размы;- ; нем tiOiin эмиттв( - фектипны чысоконо -. ш-ч; роист Е. -. psfjc тзющи1Э на индуктивную ivrpyaK/ :; . njfiK iPHHbix частотах коммутации. I и.г; flLii Г- - МИТ I 0- и гь:К 1{;,;и -:иЯ , ;-. HI.) с 0;:оЬеннс Ф- клю - вые 1C

/f

Фиг. 2

Составитель А.Еськин Редактор Л.Пчолинская Техред М.Моргентал

Фиг1

Корректор Н.Ревская