priemyselná elektrotechnika i

Katedra teoretickej elektrotechniky a elektrického merania

Priemyselná elektrotechnika I

FEI TU Košice

Obsah

Úvod do kvantovej fyziky. Štruktúra polovodičov. PN priechod a jeho vlastnosti. Diódy. Tranzistory (bipolárne, unipolárne, IGBT) Porovnanie vlastnosti jednotlivých druhov

tranzistorov. Najdôležitejšie parametre tranzistorov.

Stavba hmoty a nosiče náboja.

Bohrov model atómu.

Všetky deje, ktoré súvisia s vedením prúdu v látkach, sa týkajú elektrónov valenčnej sféry.

Pásmový model látky.

Schopnosť látky viesť elektrický prúd závisí od šírky jej zakázaného pásma.

Vodiče nemajú zakázané pásmo. Takže vo vodivostnej sfére kovov je pri všetkých podmienkach dostatočný počet voľných elektrónov, ktoré vedú elektrický prúd.

Rekombinácia – zaplnenie voľného miesta (elektrónom) vo väzbe.

Vlastná vodivosť polovodiča.

Druh vodivosti, podmienený vznikom voľne pohyblivých párov nosičov náboja elektrón – diera v dôsledku rozbíjania väzieb medzi atómmi čistého polovodiča, sa nazýva vlastná (intrinzická) vodivosť polovodiča.

Nevlastná vodivosť polovodiča.

Nevlastná vodivosť polovodiča.

V materiáloch, ktoré obsahujú prímesi pôsobí vždy súčasne vlastná aj nevlastná vodivosť. (vlastná vodivosť uvoľňovanie nosičov náboja pri rozbití väzby

základného čistého polovodiča). Preto je v mat. s nevlastnou vodivosťou typu N okrem veľkého množstva voľných elektrónov aj určitý počet pohyblivých kladných

nábojov (dier) a opačne.

Voľne nosiče náboja, ktorých počet prevláda v materiály, sa nazývajú väčšinové (majoritné) a nosiče opačného znamienka sú

menšinové (minoritné).

Prechod PN.Prechod PN bez pôsobenia vonkajšieho napätia.

Difúzia – snaha voľných nosičov náboja rovnomerne sa rozptýliť v celom objeme monokryštálu.

Difúzne napätie – rozdiel potenciálov medzi časťou P a N.

Pre majoritné nosiče náboja vytvára dif. Napätie prekážku, kt. sa nazýva potenciálová priehrada (bariéra), pre ktorú nemôžu nosiče náboja prenikať z jednej strany na druhú.

Prechod PN.Prechod PN s pripojeným vonkajšieho napätia.

Polovodičové obvodové súčiastky. Diódy a ich všeobecné vlastnosti.

a/ schematická značka a principiálne usporiadanie diódy

c/ spätne polarizovaná dióda

b/ dióda polarizovaná v priamom smere

Volt-ampérova (VA) charakteristika diódy

Diódy a ich všeobecné vlastnosti. Polovodičové obvodové súčiastky.

Náhradný obvod diódy.

Rs – predstavuje odpor zvyšného polovodičového materiálu (okrem priechodu) a odpor prívodov.

Cv – kapacita Cv zhoršuje usmerňovací účinok diódy pri vysokých frekvenciách, pretože umožňuje prechod vf prúdu aj cez uzavretý prechod PN.

Ls – predstavuje indukčnosť prívodov a uplatňuje sapri veľmi vysokých frekvenciách.

Rp – odpor PN priechodu.

Kapacita diódy Veľkosť tejto kapacity je niekoľko pF až niekoľko desiatok pF.V závislosti od napätia sa mení aj šírka vyprázdnenej oblasti a teda aj kapacitadiódy a súčasne sa mení aj odpor vyprázdnenej oblasti.


Dynamické parametre diódy – čas zotavenia.

Čas zotavenia diódy

trr - Čas, za ktorý dióda po zmene polarity anódového napätia obnoví svoju izolačnú schopnosť.


Vplyv teploty na vlastnosti diód a stratový výkon diódy .

Vplyv teploty na prúd prechádzajúci diódou.

Tepelný náhradný obvod diódy.

DAKa IUP .Stratový výkon diódy je výkon, ktorý sa pri prechode prúdu diódou mení na teplo.

th

ajaDOV R

TTP

maxDovolená anódová strata

Druhy polovodičových diód. Polovodičové obvodové súčiastky.

Zenerova dióda :- dióda na stabilizáciu napätia- zenerov jav - napätie pri ktorom vzniká zenerov jav sa nazýva zenerovo napätie.

Schottkyho dióda:– využíva na svoju činnosť usmerňujúci kontakt polovodič – kov.


Rd U

kC 3

Rd U

kC

1 – strmý priechod (zliatinový)2 – pomalý priechod (široký priechod)3 – pre diódu s lin. závislosťou

Závislosť kapacity diódy od anódového napätia v spätnom smere Ur.

k – konštanta závislá od materiálu a vyhotovenia diódy

1 2

Generované kmity môžu mať veľmi vysokú frekvenciu až desiatky GHz.

Používajú sa hlavne pri konštrukcií oscilátorov alebo rýchlych spínačov.


Vrstva I sa neuplatňuje pri prechode jednosmerného prúdu alebo prúdovs nízkymi frekvenciami. Používa sa pri frekvenciách rádovo 100-ky až 1000-ky MHz .

a) Principiálne usporiadanie PIN diódy,b) VA charakteristika PIN diódyc) Závislosť hrúbky vrstvy I od frekvencie

Tranzistory. Polovodičové obvodové súčiastky.

Tranzistory

MOSFETS priechodom PNNPNPNP

Bipolárne Unipolárne IGBT

So zabudovaným kanálom

So indukovaným kanálom

Základné rozdelenie tranzistorov

Bipolárne tranzistory. Polovodičové obvodové súčiastky.

Principiálne usporiadanie a schematická značka tranzistorov.a) b)

Skutočnosť, že kolektorový prúd vytvárajú majoritné a minoritné nosiče náboja vkolektore (t.j. diery prichádzajúce z bázy, ktoré sú v kolektore majoritnými nosičmi, a elektróny, ktoré sú minoritnými nosičmi), je dôvodom, prečo sa tranzistor nazýva bipolárny, t.j. tranzistor, ktorý využíva nosiče náboja obidvoch polarít.

Činnosť bipolárneho tranzistora (PNP).Polovodičové obvodové súčiastky.

Činnosť a schematická značka PNP.Spätný prúd diódy kolektor-báza (zbytkový prúd tranzistora).

Činnosť tranzistora. Polovodičové obvodové súčiastky.

Činnosť a schematická značka PNP. Činnosť a schematická značka NPN.

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov.

Polovodičové obvodové súčiastky.

Základné zapojenia tranzistorov - SB (so spoločnou bázou)- SE (so spoločným emitorom)- SK (so spoločným kolektorom)

Poznámky:

Všetky závery platné pre tranzistor NPN platia aj pre tranzistor PNP

Pre zapojenie tr so spoločným kolektorom sa statické charakteristiky neuvádzajú, pretože všetky údaje, ktoré by sme z nich mohli určiť, môžeme určiť aj z charakteristík platných pre zapojenie so SE



Prúdový zosilňovací činiteľ

.21

cstUB

C

VEII

h

Kvalita tranzistora je práve funkciou prúdového zosilňovacieho činiteľa.

Závislosť statického prúdovéhozosilňovacieho činiteľa h21 od kolektorového prúdu



Zapínanie a vypínanie bipolárneho tranzistora

rdon ttt

fsoff ttt

Zapínací častd – čas oneskorenia (delay time)

tr – čas nábehu (rise time) Vypínací čas ts – čas presahu (storage time)

tr – čas nábehu (fall time)

Dovolená pracovná oblasť tranzistora.


Znázornenie bezpečnej pracovnej oblasti bipolárneho tranzistora.

Tranzistory ovládané elektrickým poľom.

Pracujú na princípe využitia elektrostatického poľa na ovládanie prúdu prechádzajúceho polovodičovou platničkou.

Tranzistor ovládaný elektrickým poľom – Filed-Effect-Tranzistor, FET.

V tomto prípade sa vedenia prúdu zúčastňujú nosiče náboja len jednej polarity (väčšinové náboje)

Používa sa aj názov unipolárny tranzistor.


Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s priechodovým hradlom (JFET).


Toto rozšírenie je najväčšie v blízkosti kolektora, pretože napätie medzi kanálom a hradlom sa vplyvom ubytku napätia spôsobeného prúdom Ic od kolektora k emitoru zmenšuje.

Schematická značka JFET

Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s izolovaným hradlom.


Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s indukovaným kanálom.


Princíp činnosti MOSFET tranzistora s indukovaným hradlom

Rovnaký princíp činnosti ako pri MOSFET-e s vodivým kanálom.

Náhradná schéma výkonových MOSFET. Polovodičové obvodové súčiastky.

Millerova kapacita

Bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT).


Náhradná schéma, schematická značkaa polovodičová štruktúra IGBT.

Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom ( angl.: Insulated-Gate-Bipolar-Transistor )IGBT je kombináciou BJT a MOSFET.

Porovnanie vlastnosti tranzistorov. Typické nevýhody bipolárnych tranzistorov:

Tepelná nestabilita. Nebezpečenstvo druhého prierazu Potrebný trvalý pomerne veľký bázový prúd a hlavne veľký bázový prúd

pri zapínaní. Oneskorené vyprázdňovanie bázy pri vypínaní a tým existencia času

presahu ts. Obmedzená pracovná frekvencia. Nebezpečenstvo poškodenia inverzným prúdom. Ťažkosti pri paralelnom radení.


Porovnanie vlastnosti tranzistorov.

Vysoká vstupná impedancia (rádu GΩ).

Veľmi krátke spínacie časy (ton aj toff pod 1μs).

Možnosť práce pri frekvenciáh až do 500 kHz.

Neexistuje doba presahu ts pri vypínaní.

Paralelné zapojenie je možné prakticky bez obmedzenia.

Nehrozí nebezpečenstvo druhého prierazu ani inverzného prúdu.

Vyššia cena a objem štruktúry v porovnaní s BJT a IGBT.

Pri tranzistoroch vyššieho napätia zvýšený odpor v zapnutom stave.

Možnosť poškodenia vstupu (hradla) elektrostatickým nábojom.


MOSFET

Výhody: Nevýhody:

Porovnanie vlastnosti tranzistorov. Polovodičové obvodové súčiastky.

Vlastnosti IGBT :

• riaditeľný v podstate napäťovými impulzmi, výstupná strana je značne prúdovo aj napäťovo zaťažiteľná• pracuje v podstate ako „kaskádne“ zapojenie vstupného FET ktorým je riadený výstupný PNP tranzistor• umožňuje dosiahnuť pomerne vysoké spínacie frekvencie vzhľadom na krátke zapínacie aj vypínacie časy. Obmedzenie pracovných frekvencií nad 20 kHz spôsobuje čas doznievania ttail(„prúdový chvost“)• umožňuje vytvárať integrované výkonové moduly

Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov. Polovodičové obvodové súčiastky.

Príklad udávania medzných parametrov v katalógu(IGBT) IRGP4062DPbF.


Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.

Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu(IGBT) IRGP4062DPbF.


Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.

Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu formou grafu(IGBT) IRGP4062DPbF.

Katedra teoretickej elektrotechniky a elektrického merania

Ďakujem za Vašu pozornosť.

FEI TU Košice

priemyselná elektrotechnika i

Documents