Конструкция и принцип действия БТИЗ

Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рисунке 56.

Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому присоединён вывод коллектора, расположена подложка p⁺, а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n⁺-слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры.

Рисунок 56 – Структура транзистора IGBT

Более удалённый от подложки n^–-слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p⁺ играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n^–-слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора. Над n^–-слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO₂. В этой канальной p-области размещены n⁺-зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n^–-область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.

Тиристоры

Общая информация о тиристорах

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые компоненты, имеющие четыре и более слоя и три и более чередующихся электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы. У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.

Амплитуда максимального тока некоторых тиристоров может достигать десятков тысяч ампер, а напряжение анод-катод – нескольких киловольт. После включения между выводами анод-катод тиристоров присутствует остаточное напряжение величиной обычно от 1,2 В до 2,5 В.

Динисторы

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рисунке 57.

Рисунок 57 – Структура динистора

Вывод от внешней зоны n₂ называют катодом, а от зоны p₁ – анодом. Зоны n₁ и p₂ носят название баз динистора. Переход между зонами p₁, n₁ и p₂, n₂ именуют эмиттерным, а между зонами n₁ и p₂ – коллекторным переходом.

Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое отрицательное напряжение, а к катоду положительное напряжение, то центральный коллекторный переход будет открыт, а крайние эмиттерные переходы станут закрыты. Зоны n₁ и p₂ не могут преодолеть, поступающие из анода и катода основные носители зарядов, а, следовательно, они не достигнут базы динистора. В результате через динистор течёт небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, и динистор закрыт.

Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое положительное напряжение, а к катоду незначительное отрицательное напряжение, то коллекторный переход будет закрыт, а эмиттерные переходы станут открыты.

Если к аноду динистора приложим очень большое отрицательное напряжение, а к катоду – высокое положительное напряжение, то произойдёт лавинный пробой, что видно на вольтамперной характеристике динистора, показанной на рисунке 58.

Если начать увеличивать постоянное напряжение, прикладываемое к динистору в прямом включении, то возрастает ширина коллекторного перехода и скорость носителей заряда, и становятся меньше интенсивности рекомбинаций, а прямой ток через динистор медленно возрастает. Чем больше будет прямое напряжение, тем интенсивнее станет ударная ионизация, порождающая новые носители заряда, что при определённом напряжении включения приведёт к лавинному пробою коллекторного перехода. Пробой сопровождает резкое увеличение проводимости динистора в прямом включении. Динистор открывается, и на нём будет падать небольшое остаточное напряжение.

Рисунок 58 – Вольт – амперные характеристики динистора

I – участок открытого состояния динистора, на котором его проводимость высока;

II – участок отрицательного сопротивления;

III – участок пробоя коллекторного перехода;

IV – участок в прямом включении, на котором динистор заперт, и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения пробоя;

V – участок обратного включения динистора;

VI – участок лавинного пробоя.

Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.

Тринисторы

Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз.

Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние.

В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом.

Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображённой на рисунке 59.

Когда через управляющий электрод протекает отпирающий ток, возрастает скорость носителей заряда, которые инжектируются через коллекторный переход, что инициирует принудительное отпирание тринистора. После включения незапираемый тринистор не реагирует на изменение силы тока управляющего электрода.

Чтобы закрыть тринистор, необходимо уменьшить силу тока, протекающего по аноду и катоду, ниже тока удержания, либо поменять полярность напряжения, приложенного между анодом и катодом.

Рисунок 59 – Вольт – амперная характеристика тиристора

На рисунке обозначено:

I – участок, на котором тринистор открыт;

II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;

III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;

IV – участок обратного включения динистора.

Если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор. В незапираемых тринисторах управляющий электрод занимает небольшой участок кристалла полупроводника, ориентировочно в несколько процентов.

Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.

Тиристор является четырехслойным прибором. Создается исключительно на основе кремния. Его структура показана на рис. 1а, б (68).

а) рис. 1.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, состоящий из четырёх последовательно чередующихся областей с различным типом проводимости и обладающий бистабильной характеристикой. Тиристоры способны управляемо переключаться из одного состояния в другое. В первом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и малый ток (закрытое состояние), в другом - низкое сопротивление и большой ток (открытое состояние).

Структура тиристора показана на рисунке 1б. Она представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2-прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n-перехода П1, П2 и П3. Оба внешние области называют эмиттерами Э1 Э2, а внутренние области - базами Б1, Б2 тиристора (рис.1а).Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 – коллекторный переход.

Рисунок 3.1 – Структура тиристора

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р- типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 2. В качестве исходного материала выбрана подложка n- типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+ - n1- p2-n2+.

Вольт-амперные характеристики тиристоров представлены на рис. 2 (69).

рис. 2.а

Рис. 2 б

Цепь управляющий электрод-катод (УЭ-К) является диодным переходом. В эту цепь допустимо подавать напряжение и управляющий ток только в направлении проводимости этого перехода. При отсутствии тока управления тиристор не проводит при любом знаке напряжения U_АК, при условии, что это напряжение не превышает допустимых значений. Допустимые значения оговариваются классом прибора. Обратная ветвь ВАХ такая же, как у диода. Подавая ток управления, прямую ветвь можно изменять. Если подается номинальный ток управления, то прямая ветвь ВАХ превращается в диодную. Тиристор является полууправляемым прибором, т.к. снятие тока управления у проводящего тиристора не приводит к восстановлению прямой ветви. Тиристор является ключевым прибором и управляется импульсами тока управления. Переход с характеристики Iупр=0 на характеристику Iупр.ном происходит очень быстро.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодного тиристора приведенная на рисунке 2, б, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещён в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включёны в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n – перехода

Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, – это полностью управляемые компоненты, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента.

Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей.

Симисторы

Симисторы, в отличие от обычных тиристоров, проводят ток анод-катод при протекании тока по управляющему электроду, как в прямом направлении, так и в обратном. В результате этого их вольтамперная характеристика симметрична, что отражено на рисунке 60.

Рисунок 60 – Вольт – амперная характеристика симистора

Таким образом, на вольтамперной характеристике симистора присутствуют два участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

Интегральные микросхемы

Определения ГОСТ 17021—88

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы — что часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Примеры интегральных элементов: пленочный резистор в гибридной микросхеме, транзистор в полупроводниковой микросхеме.

Компонент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы.

Цифровая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Аналоговая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Микросхемы классифицируют по степени интеграции k, которая равна логарифму от числа деталей n, размещённых в одной ИМС: k = lgn. По методу получения различают три вида ИМС: полупроводниковые и гибридные (плёночные – одна из разновидностей гибридной ИС).

Классификация микросхем

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. В ГОСТ 17021—88 даются следующие определения этим трем разновидностям микросхем.

Полупроводниковая микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы.

Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным — микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм.

Качественные различия определяются технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочных микросхемы наносятся на подложку, как правило, с помощью катодного распыления и термовакуумного осаждения, а элементы толстопленочной микросхемы изготавливаются преимущественно методом шелкографии с последующим вжиганием.

Гибридная микросхема — микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема.

В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, или линейная микросхема.

С помощью цифровых микросхем преобразуются и обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем является логическая микросхема, выполняющая операции с двоичным кодом, которые описываются логической алгеброй.

Одновременно с понятием БИС в ГОСТ 17021—88 присутствуют два термина: БИС и базовый комплект БИС. Это обстоятельство вызвано необходимостью совместной комплексной разработки и применения БИС, представляющих собой узлы и блоки РЭА.

Большие интегральные схемы, составляющие комплект, хотя и выполняют различные функции, но совместимы по конструктивному исполнению и электрическим параметрам. Они позволяют использовать при построении микроэлектронной аппаратуры общие «архитектурные» приемы. Минимальный состав комплекта БИС, необходимый для реше­ния определенного круга аппаратурных задач, называется базовым.

Как отклик на появление микропроцессорной техники в 1981 г. в ГОСТ 17021—88 были введены четыре термина. Микропроцессор определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких БИС.

Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его части. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, названа микропроцессорным комплектом (МПК). По аналогии с базовым комплектом БИС базовым МПК называется минимальный состав такого комплекта, необходимый для построения основных узлов МП или контроллера.