1. Diody półprzewodnikowe (prostownicze)
2. Tranzystor polowy z izolowaną bramką – MOSFET
3. Tyrystor
4. Wzmacniacz RC
5. Wzmacniacz selektywny
6. Zasilacz stabilizowany
-Złącze p-n
Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników o różnych typach przewodnictwa: p i n.
W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są ładunki elektryczne dodatnie. Atomy domieszek są tu akceptorami. W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych. Obszar o mniejszej koncentracji domieszek znajdujący się pomiędzy kontaktem złącza a warstwą zubożoną nazywany jest bazą.
-napięcie dyfuzyjne UD
Napięcie dyfuzyjne UD oznacza całkowity skok potencjału występujący na warstwie zaporowej złącza. Korzystając z koncentracji elektronów w półprzewodniku typu n i w półprzewodniku p i po podstawieniu tych wartości przy założeniu, że jest to ten sam rodzaj półprzewodnika tylko innego typu otrzymujemy równanie:
-bariera energetyczna:
-prądy dyfuzyjne i unoszenia
Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10 − 6), a nawet pikoamperów (10 − 12).
Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6 - 0,8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2 - 0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV/K.
-polaryzacja złącza - kierunek przewodzenia i zaporowy
· Polaryzacja w kierunku przewodzenia
W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru n do p i z p do n. Te dodatkowe nośniki rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ze źródła zasilania jednak wciąż dopływają nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane równaniem Shockley'a:
Isat - prąd nasycenia złącza, który zależy od konstrukcji złącza i parametrów materiałów
q - ładunek elektronu
T - temperatura (w Kelwinach)
k - stała Boltzmana
UT - potencjał elektrokinetyczny , który wynosi ok. 26 mV dla T = 300 K (27°C)[2
· Polaryzacja w kierunku zaporowym
W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.
-charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego i rzeczywistego złącza p-n
Charakterystyka prądowo-napięciowa - Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia polaryzującego
Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:
-czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < UD, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;
-niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > UD, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;
-zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;
- źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub zenera, prąd gwałtownie rośnie.
-parametry statyczne i dynamiczne diody
-Parametry statyczne:
napięcie statyczne UF przy określonym IF
prąd wsteczny IR przy określonym UR
-Parametry dynamiczne:
pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym sprawność detekcji
Analiza graficzna
Koncepcja prostej obciążenia. Z prawa Kirchhoffa:
Prosty układ prostownika jednopołówkowego (a) i jego analiza graficzna (b)
eg=uF+iRL; i=eg/RL-uF/RL – równanie prostej obciążenia, RL – rezystancja obciążenia, uF – wartość chwilowa spadku napięcia na diodzie. Punkt wspólny prostej obciążenia i charakterystyki diody – rozwiązanie układu dwóch równań, tego oraz i=IR[exp(uF/mfT)-1].
Wyznacza ono wartość chwilowa prądu w obwodzie oraz spadki napiec na diodzie i RL.
Alternatywna metoda – charakterystyka obwodu powstała przez dodanie charakterystyk I-U diody i obciążenia.
-równanie Shockley´a – interpretacja:
Równanie Shockleya opisuje związek pomiędzy napięciem elektrycznym UD panującym na diodzie i płynącym przez diodę prądem elektrycznym:
w którym Is ,c – stałe charakterystyczne dla konkretnej diody i temperatury pracy, zaś e – podstawa logarytmu naturalnego. Gdzie dla odmiany e w wykładniku oznacza ładunek elektronu, k - stała Boltzmanna;
przykład:
Dioda półprzewodnikowa jest opisana równaniem Shockley`a z parametrami Io=8 ρA, η=1 i pracuje w temperaturze T=293 K. Zakładając, że dioda jest spolaryzowana napięciem Uf=0.5 V, wyznaczyć prąd If.
If=I`s (exp (qU)/ηkT) ,
gdzie:
U- napięcie polaryzacji
T - temperatura[K]
k - stała Boltzmanna - 8.62*10^-5 eV/K
q - 1.6 *10^-19C
If - prąd diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia
If = 8*10^-12*(exp((1.6 *10^-19C *0,5)/(1*8.62*10^-5 eV/K*293K))-1)=
-Budowa, rodzaje i zasada działania tranzystorów MOSFET
Skrót MOSFET pochodzi od angielskiego określenia Metal-Oxide-Semiconductor FET, co oznacza tranzystor polowy (FET)o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik. Istnieje również alternatywny, ale rzadko spotykany skrót MISFET, pochodzący od Metal-Insulator-Semiconductor FET (insulator - dielektryk).
Przekrój takiego tranzystora jest pokazany na rysunku poniżej.
Uproszczony przekrój tranzystora MOSFET typu N z kanałem wzbogacanym
W podłożu – płytce słabo domieszkowanego półprzewodnika typu P albo N tworzone są dwa małe obszary o przeciwnym typie przewodnictwa – odpowiednio N+ lub P+ (N+/P+ oznacza silne domieszkowanie tych obszarów). Te silnie domieszkowane obszary tworzą dren oraz źródło do których doprowadzane są kontakty. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka (izolatora), grubość tej warstwy jest rzędu kilkunastu nanometrów. Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego (metalu) tworząca bramkę.
Ze względu na niewielką grubość warstwy izolacyjnej istnieje realne niebezpieczeństwo jej fizycznego uszkodzenia (przepalenia) na skutek doprowadzenia z zewnątrz dużego ładunku elektrostatycznego. Dlatego układy elektroniczne zawierające tranzystory MOS są przechowywane np. w foliach przewodzących mających zapobiec przedostaniu się ładunków do obwodów.
- charakterystyki statyczne: wyjściowa i przejściowa - parametry,
- prosta obciążenia,punkt pracy tranzystora
Punkt pracy tranzystora (we wzmacniaczu) to napięcia na końcówkach tranzystora i prądy płynące przez tranzystor gdzie napięcie wejściowe jest równe zero. Od wyboru punktu pracy zależy w jakiej klasie pracuje wzmacniacz A, B, AB. Można go wyliczyć z wartości elementów polaryzujących tranzystor...
- parametry małosygnałowe tranzystorów unipolarnych,
-tranzystor MOSFET w układzie wzmacniacza.
3.Tyrystor
Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej – bramką (G, od ang. gate – bramka).
-Budowa i zasada działania tyrystora
Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest na dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe – tyratrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu). Warto wspomnieć, że "zapalony" tyrystor przewodzi prąd nawet jeśli napięcie do bramki nie jest już przyłożone, traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu przewodzenia konieczny jest wówczas ponowny zapłon tyrystora.
-charakterystyka główna (wyjściowa) – parametry
Główną charakterystykę tyrystora stanowi funkcja zależności prądu anodowego od napięcia pomiędzy anodą i katodą IA = f(UAK). Jednym z parametrów tej charakterystyki stanowi natężenie prądu bramki IG. Przykładowa charakterystyka główna przedstawiona jest na rysunku poniżej.
Na każdym ze stanów pracy tyrystora wyszczególnionych na charakterystyce powyżej można wyróżnić punkty zwane statycznymi parametrami tyrystora. Większość tyrystorów produkowanych obecnie, charakteryzuje się symetrią stanu blokowania oraz zaporowego, czyli URRM= UDRM oraz IRRM= IDRM.
· Parametry statyczne dla stanu zaporowego:
UBR - napięcie przebicia tyrystora.
URRM - powtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około ¾ napięcia UBR. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IRRM.
URSM - niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około 0,9 UBR. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IRSM.
· Parametry statyczne dla stanu blokowania:
UB0 - napięcie przełączania.
UDRM - powtarzalne napięcie szczytowe blokowania, które wynosi około ¾ napięcia UB0. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IDRM.
UDSM - niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około 0,9 UB0. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IDSM.
· Parametry statyczne dla stanu przewodzenia:
IT(AV) - jest to dopuszczalny średni prąd, w wyniku przepływu którego wydzielane jest w dopuszczalne w danych warunkach chłodzenie oraz moc strat w tyrystorze. Natężenie prądu IT(AV) jest określane przy założeniu, iż przebieg prądowy ma postać sinusoidy o częstotliwości 50 Hz oraz, że tyrystor przez połowę okresu znajduje się w stanie przewodzenia.
IT(RSM) - dopuszczalny prąd skuteczny, jest wartością skuteczną prądu o wartości średniej IT(AV).
ITM - dopuszczalny prąd maksymalny, czyli amplituda przebiegu prądowego o średniej wartości IT(AV).
UTM - maksymalne napięcie przewodzenia, które jest ustalane na głównej charakterystyce przez prąd ITM.
IL - prąd złączania, czyli prąd progowy w procesie załączania tyrystora. Przekroczenie tego progu wprowadza tyrystor na stałe w stan przewodzenia.
IH - prąd wyłączania, czyli prąd progowy w procesie wyłączania tyrystora. Zmniejszenie natężenia prądu poniżej tego progu implikuje wyłączenie tyrystora.
- charakterystyka bramkowa,
-Właściwości sterowania określone przez charakterystyki napięciowo-prądowe bramki UG = f (IG).
Biorąc pod uwagę proces załączania tranzystora, jedną z jego najważniejszych charakterystyk staje się charakterystyka prądowo - napięciowa obwodu bramki. Funkcja UFG = f (IFG) jest nazywana również charakterystyką przełączania lub wyzwalania prądem bramki. Na rysunku poniżej przedstawiona jest przykładowa charakterystyka prądowo - napięciowa obwodu bramki.
Powyższa charakterystyka przedstawiona jest pod postacią zamkniętej powierzchni, którą ograniczają swoimi wykresami dwa skrajne przebiegi określonego typu tyrystora. Powierzchnia ta obejmuje swoim obszarem wszystkie egzemplarze tyrystora danego typu. W polu charakterystyk bramkowych można wyróżnić następujące obszary:
- Obszar, w którym niemożliwe jest przełączanie. Jest to obszar, który zawiera takie wartości prądów i napięć bramkowych, które nie mogą spowodować przełączenia żadnego z egzemplarzy danego typu tyrystora. Napięcie UGD, które ogranicza ten obszar jest nazywane napięciem nieprzełączającym bramki, natomiast prąd IGD, który ogranicza ten obszar jest nazywany prądem nieprzełączającym bramki
- Obszar, w którym istnieje możliwość przełączeń. W obszarze tym, możliwe jest spowodowanie przełączenia niektórych egzemplarzy tyrystora danego typu. Jest on ograniczany prądem przełączającym bramki - IGT oraz napięciem przełączającym bramki - UGT.
- Obszar, w którym przełączenia są pewne. Obszar ten wyznacza wartości prądów oraz napięć bramkowych, które gwarantują przejście ze stanu blokowania lub wstecznego do stanu przewodzenia we wszystkich wyprodukowanych egzemplarzach danego typu tyrystora. Opisywany obszar ogranicza szczytowy prąd przełączania bramki IFGM, szczytowe napięcie przełączania bramki UFGM oraz szczytowe straty mocy w bramce PFGM. Należy tak dobierać wartości prądu oraz napięcia podczas przełączania, aby punkt pracy leżał w obszarze pewnych przełączeń.
- Obszar, w którym możliwe są uszkodzenia obwodu bramkowego. Obszar ten znajduje się poza wykresem szczytowych wartości strat mocy na bramce. Warunki pracy tego typu należy wykluczyć poprzez odpowiednią konstrukcję układu.
Przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia nie jest procesem natychmiastowym, ale trwa określoną ilość czasu. Czasami charakteryzującymi czas przełączania są: czas załączania tyrystora - tgt oraz czas wyłączania tyrystora - tgf. Oba te czasy dla niemal każdego tyrystora są rzędu mikrosekund. Należy pamiętać przy projektowaniu układu z wykorzystaniem tyrystora, aby stromość z jaką narasta prąd przewodzenia diT/dt oraz stromość z jaką narasta napięcie blokowania duD/dt nie przekraczały krytycznych wartości
- metody wyzwalania tyrystorów, kąty przewodzenia i moc oddawana w obciążeniu
Sterowanie fazowe polega na powtarzalnym wprowadzaniu tyrystorów w stan przewodzenia
w każdej połówce przebiegu sinusoidalnego lub okresowego.
Przebieg prądu w odbiorniku rezystancyjnym jest analogiczny do przebiegu napięcia
Sterowanie grupowe polega na tym, ze w wybranym powtarzalnym interwale czasu (ustalona
liczba okresów elektrycznych) tyrystor przewodzi przez zadaną liczbę polówek okresu sieci.
Tyrystor wyzwalany jest zawsze w zerze napięcia sieciowego, czyli konieczna jest detekcja
zmiany kierunku napięcia. Czas przewodzenia i czasu blokowania ...
bartas618