Transcript diody_tranzistory

Priemyselná
elektrotechnika I
Katedra teoretickej elektrotechniky a
elektrického merania
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
b/ dióda polarizovaná v
priamom smere
c/ spätne polarizovaná dióda
Volt-ampérova (VA) charakteristika diódy
Polovodičové obvodové súčiastky.
Diódy a ich všeobecné vlastnosti.
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 sa
pri 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 kapacita
diódy a súčasne sa mení aj odpor vyprázdnenej oblasti.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Diódy a ich všeobecné vlastnosti.
Dynamické parametre diódy – čas zotavenia.
Čas zotavenia diódy
trr -
Čas, za ktorý dióda po zmene polarity anódového napätia obnoví svoju
izolačnú schopnosť.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Diódy a ich všeobecné vlastnosti.
Vplyv teploty na vlastnosti diód a stratový výkon diódy .
Tepelný náhradný obvod diódy.
Vplyv teploty na prúd prechádzajúci
diódou.
Stratový výkon diódy je výkon, ktorý sa pri prechode prúdu diódou mení na teplo.
Pa  U
AK .
ID
Dovolená anódová strata
PaDOV 
T j max  T a
R th
Polovodičové obvodové súčiastky.
Druhy polovodičových diód.
Schottkyho dióda:
– využíva na svoju činnosť usmerňujúci
kontakt polovodič – kov.
Zenerova dióda :
- dióda na stabilizáciu napätia
- zenerov jav
-napätie pri ktorom vzniká zenerov
jav sa nazýva zenerovo napätie.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Druhy polovodičových diód.
Generované kmity môžu mať veľmi
vysokú frekvenciu až desiatky GHz.
Používajú sa hlavne pri konštrukcií
oscilátorov alebo rýchlych spínačov.
Závislosť kapacity diódy od anódového napätia
v spätnom smere Ur.
1 – strmý priechod (zliatinový)
2 – pomalý priechod (široký priechod)
3 – pre diódu s lin. závislosťou
Cd 
k
UR
1
Cd 
k
3
UR
2
k – konštanta závislá od materiálu a vyhotovenia diódy
Polovodičové obvodové súčiastky.
Druhy polovodičových diód.
a) Principiálne usporiadanie PIN diódy,
b) VA charakteristika PIN diódy
c) Závislosť hrúbky vrstvy I od frekvencie
Vrstva I sa neuplatňuje pri prechode jednosmerného prúdu alebo prúdov
s nízkymi frekvenciami.
Používa sa pri frekvenciách rádovo 100-ky až 1000-ky MHz .
Polovodičové obvodové súčiastky.
Tranzistory.
Základné rozdelenie tranzistorov
Tranzistory
Bipolárne
PNP
NPN
IGBT
Unipolárne
S priechodom PN
MOSFET
So zabudovaným
kanálom
So indukovaným
kanálom
Polovodičové obvodové súčiastky.
Bipolárne tranzistory.
a)
b)
Principiálne usporiadanie a schematická značka tranzistorov.
Skutočnosť, že kolektorový prúd vytvárajú majoritné a minoritné nosiče náboja v
kolektore (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.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Činnosť bipolárneho tranzistora (PNP).
Spätný prúd diódy kolektor-báza
(zbytkový prúd tranzistora).
Činnosť a schematická značka PNP.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Činnosť tranzistora.
Činnosť a schematická značka PNP.
Činnosť a schematická značka NPN.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Základné zapojenia, charakteristiky a parametre
bipolárnych tranzistorov.
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
Polovodičové obvodové súčiastky.
Základné zapojenia, charakteristiky a parametre
bipolárnych tranzistorov.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Základné zapojenia, charakteristiky a parametre
bipolárnych tranzistorov.
Prúdový zosilňovací činiteľ
h 21
 IC
 
 IB



 U VE  cst .
Závislosť statického prúdového
zosilňovacieho činiteľa h21 od
kolektorového prúdu
Kvalita tranzistora je práve funkciou prúdového zosilňovacieho činiteľa.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Základné zapojenia, charakteristiky a parametre
bipolárnych tranzistorov.
Zapínanie a vypínanie bipolárneho tranzistora
Zapínací čas
t on  t d  t r
Vypínací čas
t off  t s  t f
td – čas oneskorenia (delay time)
tr – čas nábehu (rise time)
ts – čas presahu (storage time)
tr – čas nábehu (fall time)
Polovodičové obvodové súčiastky.
Dovolená pracovná oblasť tranzistora.
Znázornenie bezpečnej pracovnej oblasti bipolárneho tranzistora.
Polovodičové obvodové súčiastky.
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.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Tranzistor ovládaný elektrickým poľom
s priechodovým hradlom (JFET).
Schematická značka 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.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Tranzistor ovládaný elektrickým poľom
s izolovaným hradlom.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Tranzistor ovládaný elektrickým poľom
s indukovaným kanálom.
Rovnaký princíp činnosti ako pri MOSFET-e s
vodivým kanálom.
Princíp činnosti MOSFET tranzistora
s indukovaným hradlom
Polovodičové obvodové súčiastky.
Náhradná schéma výkonových MOSFET.
Millerova kapacita
Polovodičové obvodové súčiastky.
Bipolárne tranzistory s izolovaným
hradlom (IGBT).
Náhradná schéma, schematická značka
a polovodičová štruktúra IGBT.
Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom ( angl.: Insulated-Gate-Bipolar-Transistor )
IGBT je kombináciou BJT a MOSFET.
Polovodičové obvodové súčiastky.
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.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Porovnanie vlastnosti tranzistorov.
MOSFET
Výhody:
 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.
Nevýhody:
 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.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Porovnanie vlastnosti tranzistorov.
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
Polovodičové obvodové súčiastky.
Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.
Príklad udávania medzných parametrov v katalógu
(IGBT) IRGP4062DPbF.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.
Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu
(IGBT) IRGP4062DPbF.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.
Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu formou grafu
(IGBT) IRGP4062DPbF.
Polovodičové obvodové súčiastky.
Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov.
Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu formou grafu
(IGBT) IRGP4062DPbF.
Ďakujem za Vašu
pozornosť.
Katedra teoretickej elektrotechniky a
elektrického merania
FEI TU Košice