Priemyselná elektrotechnika I

1. Priemyselná elektrotechnika I Katedra teoretickej elektrotechniky a elektrického merania FEI TU Košice

2. 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.

3. Stavba hmoty a nosiče náboja. Bohrov model atómu. Všetky deje, ktoré súvisia s vedením prúdu v látkach, sa týkajú elektrónov valenčnej sféry.

4. 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.

5. 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.

6. Nevlastná vodivosť polovodiča.

7. 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).

8. 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.

9. Prechod PN. Prechod PN s pripojeným vonkajšieho napätia.

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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. Dovolená anódová strata

14. Polovodičové obvodové súčiastky. Druhy polovodičových diód. • 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.

15. Polovodičové obvodové súčiastky. Druhy polovodičových diód. Závislosť kapacity diódy od anódového napätia v spätnom smere Ur. Generované kmity môžu mať veľmi vysokú frekvenciu až desiatky GHz. 1 – strmý priechod (zliatinový) 2 – pomalý priechod (široký priechod) 3 – pre diódu s lin. závislosťou Používajú sa hlavne pri konštrukcií oscilátorov alebo rýchlych spínačov. 1 2 k – konštanta závislá od materiálu a vyhotovenia diódy

16. 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 .

17. Polovodičové obvodové súčiastky. Tranzistory Bipolárne Unipolárne IGBT PNP NPN S priechodom PN MOSFET So zabudovaným kanálom So indukovaným kanálom Tranzistory. Základné rozdelenie tranzistorov

18. Polovodičové obvodové súčiastky. Bipolárne tranzistory. b) a) 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.

19. Polovodičové obvodové súčiastky. Činnosť bipolárneho tranzistora (PNP). Spätný prúd diódy kolektor-báza (zbytkový prúd tranzistora). Činnosť a schematická značka PNP.

20. Polovodičové obvodové súčiastky. Činnosť tranzistora. Činnosť a schematická značka PNP. Činnosť a schematická značka NPN.

21. 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

22. Polovodičové obvodové súčiastky. Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov.

23. Polovodičové obvodové súčiastky. Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov. Prúdový zosilňovací činiteľ Závislosť statického prúdového zosilňovacieho činiteľa h21 od kolektorového prúdu Kvalita tranzistora je práve funkciou prúdového zosilňovacieho činiteľa.

24. Polovodičové obvodové súčiastky. Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov. Zapínanie a vypínanie bipolárneho tranzistora Zapínací čas td – čas oneskorenia (delay time) tr – čas nábehu (rise time) Vypínací čas ts – čas presahu (storage time) tr – čas nábehu (fall time)

25. Polovodičové obvodové súčiastky. Dovolená pracovná oblasť tranzistora. Znázornenie bezpečnej pracovnej oblasti bipolárneho tranzistora.

26. 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.

27. 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.

28. Polovodičové obvodové súčiastky. Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s izolovaným hradlom.

29. 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

30. Polovodičové obvodové súčiastky. Náhradná schéma výkonových MOSFET. Millerova kapacita

31. 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.

32. 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.

33. 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. Polovodičové obvodové súčiastky. Porovnanie vlastnosti tranzistorov. MOSFET Nevýhody: Výhody:

34. 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

35. Polovodičové obvodové súčiastky. Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov. Príklad udávania medzných parametrov v katalógu (IGBT) IRGP4062DPbF.

36. Polovodičové obvodové súčiastky. Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov. Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu (IGBT) IRGP4062DPbF.

37. Polovodičové obvodové súčiastky. Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov. Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu formou grafu (IGBT) IRGP4062DPbF.

38. Polovodičové obvodové súčiastky. Hlavné parametre výkonových IGBT tranzistorov. Príklad udávania charakteristických parametrov v katalógu formou grafu (IGBT) IRGP4062DPbF.

39. Ďakujem za Vašu pozornosť. Katedra teoretickej elektrotechniky a elektrického merania FEI TU Košice