Электронная аппаратура. Транзисторные биполярные и полевые структуры

И. К. Никифоров 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА 
 
ТРАНЗИСТОРНЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ  
И ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

УДК 621.3 
ББК 31.2 
Н62 
 
 
Р е ц е н з е н т :  
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной  
электроники ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет 
им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин 
 
 
 
Никифоров, И. К. 
Н62 
 
Электронная аппаратура. Транзисторные биполярные и 
полевые структуры : учебное пособие / И. К. Никифоров. ௅ 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 480 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1234-6 
 
Рассматриваются биполярные и полевые транзисторные структуры во всем их разнообразии как полупроводниковых приборов, их 
особенности и применение в устройствах электронной аппаратуры. 
Приводится ряд примеров схем, рекомендации и методики расчета 
типовых схем на этих транзисторах в качестве электронных клю- 
чей, применяемых в силовых электропреобразовательных установках  
и мощных источниках электропитания. 
Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовых электронных преобразовательных устройств и мощных источников вторичного электропитания.  
 
 
УДК 621.3 
ББК 31.2 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1234-6 ” Никифоров И. К., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 
 
 
b 
толщина пленки напыляемого материала 
C 
электрическая емкость 
с 
удельная теплоемкость 
Cб 
барьерная емкость 
Сд 
диффузионная емкость 
Dn 
коэффициент диффузии электронов в полупроводнике п-типа 
Dp 
коэффициент диффузии «дырок» в полупроводнике р-типа 
dк 
толщина кристалла 
Ɯ 
напряженность внешнего электрического поля 
EF 
энергия уровня Ферми 
Eg 
энергия запрещенной зоны 
Eпр 
электрическая прочность материала 
ê 
условно свободный электрон 
eL 
ЭДС самоиндукции 
eТ 
термоЭДС 
êф 
фотоэлектрон 
f 
частота тока 
h 
постоянная Планка 
hv 
фотон 
i 
электрический ток 
j 
плотность электрического тока 
l  
средняя длина свободного пробега электрона 
k 
постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте) 
kг 
коэффициент гармоник 
kн 
коэффициент несинусоидальности 
kп 
коэффициент пульсации 
kсгл 
коэффициент сглаживания 
l 
длина 
М 
коэффициент размножения носителей заряда 
me 
масса электрона 
mе 
эффективная масса электрона 
mu 
эффективная масса «дырки» 
NA 
число Авогадро 
na 
концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок») 
ne 
концентрация электронов 
nd 
концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов) 
nl 
концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки 
ni 
концентрация свободных носителей зарядов в собственном  
полупроводнике i-типа 
nu 
концентрация «дырок» 
Р 
электрическая мощность 
Q 
электрический заряд на обкладках конденсатора 
3 
 

qe 
заряд электрона 
r 
дифференциальное электрическое сопротивление 
R 
электрическое сопротивление или радиус, согласно тексту 
R~ 
сопротивление переменному току 
s 
площадь сечения 
SVD 
дифференциальная крутизна ВАХ 
sк 
площадь кристалла 
Т 
абсолютная температура 
t 
время 
tgG 
тангенс угла диэлектрических потерь 
t  
среднее время свободного пробега электрона 
U 
электрическое напряжение 
Ud 
действующее значение напряжения 
û 
«дырка» (или протонный заряд) 
Uобр 
обратное приложенное напряжение 
Uпр 
прямое напряжение 
wб 
размер ширины базы 
хп 
размер сечения полупроводника, где рассматриваются процессы 
DТ 
температурный коэффициент 
J 
коэффициент рекомбинации 
'0 
ширина электронно-дырочного перехода  
Oтп 
теплопроводность материала 
P 
магнитная проницамость 
Pе 
подвижность электронов 
Pi 
подвижность ионов 
Pn 
подвижность зарядов в полупроводнике п-типа 
Pp 
подвижность зарядов в полупроводнике р-типа 
Pu 
подвижность «дырок» 
W 
постоянная времени какого-либо процесса 
Uv 
удельное объемное электрическое сопротивление 
' 
глубина проникновения тока 
Q 
частота электромагнитных колебаний 
İ 
диэлектрическая проницаемость 
İ0 
диэлектрическая постоянная 
I 
фотон 
Ȝ 
длина волны 
ȡ 
удельное электрическое сопротивление 
ȡn 
удельное электрическое сопротивление n-области 
ȡр 
удельное электрическое сопротивление р-области 
ȡs 
удельное поверхностное электрическое сопротивление 
X 
скорость движения электрона 
X  
средняя скорость направленного движения электронов 
Z 
циклическая частота 
4 
 

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
 
AC 
Acces current 
АССUFET Accumulation-layer MOSFET 
BISS 
Breakthrough in Small Signal 
CCM 
Continuous Conduction Mode, режим непрерывных токов 
CrCM 
Сritical Conduction Mode, режим критической проводимости 
DC 
Digital current 
DCM 
Discontinuous Conduction Mode, режим прерывистых токов 
DMOS 
Double-implanted MOS 
FBSOA 
Forward Bias SOA 
FinFET 
Fin Field Effect Transistor 
FRD 
Fast Recovery Diodes 
GAAFET 
Gate-All-Around Field-Effect Transistor 
GTO 
Gate turn off 
HEMT 
High Electron Mobility Transistor 
HPHT 
High Pressure High Temperature 
HS 
Hard Switch (режим «жесткого» переключения) 
IEGT 
Injection Enhanced Gate Transistor 
IGBT 
Insulated Gate Bipolar Transistor 
IPC 
Intelligent Power Circuits 
IPM 
Intelligent Power Modules 
LDMOS 
Lateral Double MOSFET 
LPE 
Liquid Phase Epitaxi ௅ жидкофазная эпитаксия 
MBCFET 
Multi Bridge Channel FET 
MESFET 
Metal-Semiconductor Field Effect Transistor 
MOSFET 
Metall-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor 
RBSOA 
Reverse Bias SOA 
RMG 
Replacement metal gate 
SCSOA 
Short Circuit SOA 
SIT 
Static Induction Transistor 
SJ 
Super Junction (суперпереход) 
SOA 
Safe Operation Area 
SOD 
Silicon-on-Diamond («Кремний на полиалмазе»)  
SON 
Silicon-on-Nothing 
TSV 
Through Silicon Via 
UIS 
Unclamped inductive switching (режим индуктивной нагрузки) 
UTB 
Ultrathin Body 
VRG 
Vertical Replacement Gate 
ZVS 
Zero Voltage Switching, отключение при нулевом напряжении 
(режим «мягкого» переключения) 
БМТ 
(BPT) 
Биполярный мощный транзистор  
(Bipolar Power Transistor) 
5 
 

ВАХ 
Вольт-амперная характеристика 
ГП 
Гетеропереход 
ДЭГ 
Двухмерный электронный газ 
ИВЭП 
Источники вторичного электропитания 
ИМС 
Интегральная микросхема 
КЗ 
Короткое замыкание 
ККМ 
Корректор коэффициента мощности (нагрузки) 
КМОП 
Контакт-металл-окисел-полупроводник 
КНИ 
Кремний на изоляторе (Silicon On Insulator, SOI) 
КП 
Коллекторный переход (коллектор௅база) в ТБТ 
КТР 
Коэффициент теплового расширения 
ЛБТ 
Лавинный биполярный транзистор 
ЛИТ 
Лавинно-инжекционный транзистор 
ЛТОООЗ 
Лавинный транзистор с ограниченной областью объемного 
заряда 
МДП 
Металл-диэлектрик-полупроводник 
МОП 
Металл-оксид-полупроводник 
НВТ 
Heterojunction Bipolar Transistor 
ОБР 
Область безопасной работы 
ООЗ 
Область объемного заряда 
ОС 
Обратная связь 
ОТК 
Однокаскадный транзисторный ключ (на ТБТ) 
ОЭТ 
Одноэлектронные транзисторы 
ПП 
Полупроводник; полупроводниковый 
ПТШ 
Полевые транзисторах с затвором Шоттки на широкозонных ПП 
РЭА 
Радиоэлектронная аппаратура 
СВЧ 
Сверхвысокие(ой) частоты 
СИИ 
Системы искусственного интеллекта  
СИТ 
Статический индукционный транзистор 
СУ 
Схема (система) управления 
СФ 
Стандартный формализованный (блок программы) 
СЭА 
Силовая электронная аппаратура 
ТБТ 
Традиционный биполярный транзистор 
ТЗ 
Техническое задание 
ТУ 
Технические условия 
УЗЧ 
Ультразвуковая частота 
УНЧ 
Усилитель низкой (звуковой) частоты 
ШЗП 
Широкозонные ПП 
ЭДП 
Электронно-дырочный переход 
ЭКБ 
Электронно-коммутационные блоки 
ЭМП 
Электромагнитные помехи 
ЭМС 
Электромагнитная совместимость 
ЭП 
Эмиттерный переход (эмиттер௅база) в ТБТ 
ЭС 
Эпитаксиальная структура 
6 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данное учебное пособие продолжает серию книг, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура». 
В 1-й книге были рассмотрены основы электроники, радио- 
и электротехнические материалы и изделия на их основе; далее 
при ссылке на неё ௅ 1-я кн. серии. 
Во 2-й книге были рассмотрены резисторы, предохранители, конденсаторы, применяемые как в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), так и в силовой электронной аппаратуре (СЭА)  
и мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП); далее ссылка на неё ௅ 2-я кн. серии. 
В 3-й книге рассмотрены основы магнитоэлектроники, индуктивные компоненты и элементы СЭА и ИВЭП; аналогично, 
ссылка на неё ௅ 3-я кн. серии. 
В 4-й книге рассмотрены основные материалы и технологии, применяемые в микро- и наноэлектронике и некоторые 
технологии для устройств силовой электроники; далее при 
ссылке на неё ௅ 4-я кн. серии. 
В 5-й книге рассмотрены диодные и тиристорные структуры, их особенности применения в СЭА и ИВЭП; далее при 
ссылке на неё ௅ 5-я кн. серии.  
Для понимания материала данного учебного пособия необходимо иметь базовые знания по характеристикам и свойствам 
полупроводниковых материалов, которые были рассмотрены  
в 1-й кн. серии (см. подразд. 4). 
Основная задача данного учебного пособия показать все 
многообразие биполярных и полевых транзисторных структур, 
их особенности и предпочтительные сферы применения. Основное внимание в книге делается на применение рассматриваемых 
транзисторов, изготовленных по разным технологиям, как электронных силовых ключей. 
Приводимые ссылки, не только на книги, но и на статьи, 
должны способстовать выработке у студентов самостоятель- 
ного изучения и нахождения материала по интересуемым их вопросам.  
 
7 
 

1. ТРАНЗИСТОРЫ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ  
 
Транзистор происходит от английского слова transistor 
(англ. transforme of resistance). На схемах электрических принципиальных все типы транзисторов обозначаются буквами VT. 
В общем случае различают три больших класса транзисторов, 
исходя из основной технологии изготовления и принципа работы: биполярные, униполярные (полевые) комбинированные 
структуры. Данный раздел посвящен перспективам и общему 
обзору имеющихся структур и технологий по транзисторам. 
 
1.1. Транзисторные структуры, достигнутые результаты 
в технологиях и перспективы развития 
 
Этапы и перспективы развития электроники, применяемые 
материалы и технологии рассмотрены в 4-й кн. серии. Этот  
и последующий подразделы расширяют указанный материал. 
Основой нынешней цивилизации является электрическая 
энергия, и все это обеспечивает энергетика. А главным инструментом нынешней энергетики являются инновации в электронике и, прежде всего, в силовой электронике. Развитие электронной промышленности идет по трем основным направлениям: достижение более высоких значений рабочих температур 
ПП-кристаллов, скорость преобразования (коммутации) электрической энергии и мощность электропреобразовательных 
установок с пониженными собственными потерями энергии. 
Мировая электроника как инновационный инструмент энергетики развивается по трем основным направлениям: температура, 
скорость (частота преобразования) и мощность [1.6]. 
1. К 2015 г. на основе LPE i-GaAs удалось достичь рабочих 
значений температур ПП-кристаллов 250 °С. На ближайшие 
годы поставлена задача достигнуть значений температуры кристаллов 500…600 °С. При этом параллельно развивается альтернативное направление ௅ углеродная электроника. По прогнозам экспертов, компоненты на ее основе смогут работать при 
значениях температур корпусов приборов 900…1000 °С.  
8 
 

2. Частотный диапазон в ПП силовой электронике мегаватного диапазона мощностей заметно поднялся ௅ до единиц и десятков килогерц. В микроэлектронике получены транзисторы, 
способные работать в радиоактивной среде и при мягком рентгеновском излучении (плазменные поликремниевые транзисторы), т. е. освоены частоты в миллиарды терагерц. В цифровой 
электронике тактовая частота превысила терагерцовый диапазон, когда была внедрена FinFET-технология с топологическим 
размером элемента 7 нм. 
3. Нынешние технологии транзисторной силовой электроники 
все увереннее осваивают мегаватный диапазон мощностей, до 
2000-х гг. доступный только силовым SCR- и GTO-тиристорам 
(см. 5-ю кн. серии). 
Всеми этими задачами в РФ продолжает заниматься подразделение РАН, толчком для которой послужило ФЦП «Развитие 
электронной компонентной базы электроники на 2008௅2015 гг.». 
Проект развития отечественной электроники имеет четыре ярко 
выраженных направления: 1) материал LPE i-GaAs и гетеросистемы на его основе; 2) ЭКБ силовой электроники; 3) силовые ЭКБ 
СВЧ и терагерцового диапазона; 4) фотоника. 
Основными типами ПП-приборов современной СЭА являются [1.24]: 1) полевые (MOSFET); 2) биполярные с изолированным затовором (IGBT); 3) запираемые тиристоры (GTO ௅ 
Gate turn off) и их модернизированный вариант ௅ коммутируемые по затовру запираемые тиристоры (IGCT ௅ Integrated GateCommutated Thyristors); 4) биполярный транзистор с изолированным затовором и увеличенной ижекцией (IEGT ௅ Injection 
Enhanced Gate Transistor). 
Силовые приборы GTO и IGCT производятся рядом зарубежных фирм, включая российские разработки (ЗАО «КонтурИНЭЛС», г. Чебоксары). Этот класс ПП-приборов на ток 4,5 кА 
и напряжением до 6 кВ производится в виде таблеточной конструкции для прижимного варианта (press-pack). ПП-прибор 
IEGT объединяет преимущества IGBT ௅ малую мощность 
управления и малые коммутационные потери, широкую область 
безопасной работы (ОБР) с преимуществами GTO ௅ низким 
прямым падением напряжения. В последние годы (после 
2010 г.) идет тенденция перехода изготовления силовых преоб9 
 

разовательных модулей на основе IGBT. Это связано с тем, что 
IGBT-модули перекрывают как средний, так и большой диапазоны коммутации (рис. 1.1). 
 
 
 
Рис. 1.1. Сравнение современных ПП-приборов по коммутационным  
параметрам (мощности и частоте переключения) [1.24] 
 
IGBT-модули могут заменить отпираемые (SCR) тиристоры 
и все остальные типы транзисторов на частотах до 100 кГц, но 
пока не способны полноценно заменить модули на GTO и IGCT 
(мощность коммутации десятки мегавольт-ампер). Например,  
в ЗАО «Контур-ИНЭЛС» (г. Чебоксары) налажен выпуск  
IGBT-модулей с рабочими токами 10…2400 А на ряд рабочих 
напряжений: 0,6; 1,2; 1,7; 2,5 и 3,3 кВ. Типовая конструкция 
корпуса IGBT-модуля с рабочим током 1,4 кА и напряжением 
1,8 кВ показана на рис. 1.2. 
В области микроэлектроники достигнуты следующие результаты (материал составлен из диалога с техническим директором компании Synopsys Антуаном Домиком) [1.11].  
КМОП-технология показала свою надежность в плане развития. В совершенно иных ПП-технологиях не видно большого 
прогресса. За последние полвека в КМОП-технологию было ин10