Материал: Tverdotila_elektronika

, , .

Таким чином, струм стоку польового транзистора

_.

При +1 еквівалентна крутизна БТІЗ значно збільшується. Коефіцієнти і регулюються резисторами R₁ і R₂ на стадії виготовлення транзистора. На сьогоднішній день поки ще немає відомостей про транзистори БТІЗ n-p-n  типу провідності.

Важливим позитивом БТІЗ (IGBT) є значне зниження послідовного опору силового ланцюга в відритому стані, що приводить до зниження теплових втрат на замкнутому ключі. Перевантажувати IGBT транзистор по напрузі не допускається, але по струму він витримує 7-10 - кратне короткочасне навантаження. Оскільки струм стоку низьковольтного МОН транзистора становить лише невелику частину струму навантаження (у вихідного біполярного транзистора ), то розміри його порівняно невеликі, і він має набагато менші відповідні ємності затвора, ніж МОН ПТ.

Пробивна вхідна напруга БТІЗ теоретично становить близько 80 В, але для забезпечення надійності роботи в довідкових даних практично всіх фірм виробників БТІЗ зазначене значення, що дорівнює 20 В. При роботі із транзисторами необхідно стежити, щоб напруга «затвор-емітер» не перевищувала ±20 В.

Ввімкнення транзистора БТІЗ (рис. 5.11 а) виконується таким чином. Поки напруга «затвор-емітер» дорівнює нулю, транзистор закритий. Час початку відмикання транзистора збігається з моментом досягнення напругою на затворі порогового рівня. Напруга на затворі БТІЗ, при якому вхідний МОН - транзистор і вихідний біполярний починають відмикатися, становить від 3,5 до 6,0 В, і гарантована напруга, при якій транзистор повністю відкритий, тобто може пропускати максимально допустимий струм через колектор-емітерний перехід, становить від 8 В до граничного значення 20 В.

У силу дії внутрішнього позитивного зворотного зв’язку, транзистор різко, подібно компаратору, відкри­вається. Процес закривання транзистора протікає не так швидко, як відмикання. Після подачі запираючого імпульсу на затвор транзистор закривається не відразу, а з деякою задержкою, яка визначається часом «розсмоктування» неосновних носіїв у базі р-n-р  транзистора.

Максимальний струм, який можуть комутувати сучасні БТІЗ, 7-100 А, а допустимий імпульсний струм, як правило, в 2,5-3 рази перевищує максимальний. Для більших потужностей випускають модулі, які складаються з декількох транзисторів. Граничні струми таких модулів до 1000 А. Пробивна напруга БТІЗ – 400-2500 В. Основні параметри деяких БТІЗ подані в табл. 5.2, модулів - у табл. 5.3, у яких взяті такі позначення:

– напруга «колектор-емітер»;

– напруги «колектор-емітер» відкритого транзистора;

- постійний струм колектора;

Р - максимальна розсіювана потужність.

Таблиця 5.2

Напруга «колектор-емітер» відкритого транзистора 1,5-4 В, залежно від типу, струму і граничної напруги БТІЗ, в однакових режимах. Для різних типів приладів напруга на переході відкритого транзистора тим вища, чим вищі пробивна напруга і швидкість перемикання.

Таблиця 5.3

Унаслідок низького коефіцієнта підсилення вихідного біполярного транзистора БТІЗ захищений від вторинного пробою, і що особливо важливо для імпульсного режиму, він має прямокутну область безпечної роботи.

Зі зростанням температури напруга «колектор-емітер» транзистора збільшується, це дає можливість умикати при­лади паралельно до загального навантаження й збільшувати сумарний вихідний струм. Залежність максимально допус­тимого струму колектора від температури корпусу БТІЗ транзистора показані на рисунку 5.12.

Так само, як МОН ПТ, БТІЗ мають ємності «затвор-колектор», «затвор-емітер», «колектор-емітер». Величини цих ємностей, як правило, в 2-5 разів нижчі, ніж у МОН ПТ із аналогічними граничними параметрами. Це пов'язане з тим, що в БТІЗ на вході розміщений малопотужний МОН-транзистор, який потребує для керування в динамічних режимах меншу потужність.

Рисунок 5.12 – Залежність І_{к max} від температури корпусу для транзистора IRG4BС30F

Істотною перевагою БТІЗ є те, що біполярний транзистор у структурі не насичується, тому не має часу на розсмоктування. Однак при зменшенні напруги на затворі струм через силові електроди ще проходить протягом від 80 - 200 нс до одиниць мікросекунд залежно від типу приладу. Зменшити ці тимчасові параметри неможливо, тому що база р-n-р  транзистора недоступна.

БТІЗ порівняно з МОН ПТ мають такі переваги:

- економічність керування, пов'язана з меншою ємністю затвора, і, відповідно, динамічними втратами на керування;

- висока густина струму у колі між емітером і колектором така сама, як і у біполярному транзисторі;

- менші втрати в режимах імпульсних струмів;

- практично прямокутна область безпечної роботи;

- можливість паралельного сполучення транзисторів з загальним навантаженням;

- динамічні характеристики останніх транзисторів наближаються до МОН ПТ.

БТІЗ транзистори класифікуються за наступними категоріями:

• W – (warp speed) – 75…150 кГц;

• U – (ultra fast speed) – 10…75 кГц;

• F – (fast speed) – 3…10 кГц;

• S – (standart speed) – 1…3 кГц.

Наприклад, залежність струму колектора БТІЗ від частоти для транзистора IRGPC5OUD2 показана на рис. 5.13.

Рисунок 5.13 – Залежність струму колектора від частоти

Як бачимо з рисунка, на частотах роботи транзисторів більше 10 кГц струм колектора зменшується більш ніж удвічі.

Основним недоліком БТІЗ є великий час вимикання, що обмежує частоти перемикання до 40  100 кГц навіть у самих швидкодіючих транзисторів, крім того, зі зростанням частоти необхідно зменшувати струм колектора. МОН ПТ і БТІЗ транзистори - прилади, які керуються напругою.

Фірми-виробники силових напівпровідників випускають драйвери керування, які узгоджують малопотужну схему керування з вихідними транзисторами верхнього й нижнього плечей силового інвертора. Вихідні каскади цих драйверів виконуються, як правило, у вигляді двотактних підсилювачів потужності на польових транзисторах, що забезпечують імпульсний вихідний струм до 2 А.

6 Оптоелектронні напівпровідникові прилади

6.1 Загальні відомості

Електронні пристрої та системи, в яких використовують разом із традиційними електричними ефектами неелектри­чні, лежать в основі нового напряму в електроніці – оптоелектроніки.

Оптоелектроніка – це ґалузь електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в кристалах, а також розглядаються питання перетворення оптичних сигналів у електричні й навпаки.

Практичним завданням оптоелектроніки є створення оптоелектронних приладів, до яких належать різноманітні джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв’язку, оптрони тощо. Усі ці прилади широко застосовуютьcя в ґалузі промислової електроніки.

Розглянемо деякі приклади оптоелектронних напівпрові­дникових приладів.

6.2 Випромінювальні діоди

Напівпровідниковий випромінювальний діод (світло­діод) – це напівпровідниковий прилад з одним або кількома електричними переходами, призначений для безпосе­реднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

Відповідно до ГОСТ 10862-72 першим елементом позначення світлодіодів є буква або цифра, що означає матеріал виготовлення (А(1) - арсенід галію), іншим елементом є буква “Л”. Значення третього елемента позначення світлодіодів такі: 1 – діод інфрачервоного діапазону; 2 – оптичного діапазону; 3 – діод з яскравістю свічення менше 500 Кд/м; 4 – з яскравістю, більшою 500 Кд/м. Четвертий, п’ятий і шостий елементи позначення такі самі, як у звичайних діодів.

Основний фізичний процес світлодіодів – це випроміню­вальна рекомбінація у базі, ймовірність якої зростає при підвищенні концентрації неосновних нерівноважних носіїв, тобто при прямому ввімкнення – переходу. Ця рекомбі­нація, на відміну від невипромінювальної, супроводжується виділенням енергії у вигляді квантів світла. Для виготов­лення світлодіодів застосовують матеріали з малою ймовірністю невипромінювальної рекомбінації (наприклад, сполуки InSb, GaSb, GaAs, GaP, InP, SiC тощо). Свічення збуджується в інфрачервоному і видимому діапазонах за допомогою змінного або постійного струму при напрузі , де (порогова напруга дорівнює контактній різниці потенціалів). Будова світлодіода показана на рис. 6.1.

Рисунок 6.1 – Будова світлодіода

Для підвищення ККД (зменшення відбиття) випромінювальна поверхня виконується у формі напівсфери. Яскравість свічення майже лінійно залежить від струму через світлодіод (рис. 6.2).

Рисунок 6.2 – Яскравісна характеристика світлодіода

Колір свічення залежить від матеріалу виготовлення (ширини забороненої зони, природи центрів рекомбінації тощо). Чим більша ширина забороненої зони, тим менша довжина хвилі світлового випромінювання. Так, суміш GaAs і GaP дає червоне свічення, карбід кремнію SiC – червоно-оранжеве або жовте. Суміш GaP та InP – жовте або жовто-зелене свічення.

Використовуються світлодіоди з перестроюваним кольором свічення (рис. 6.3), які мають два – переходи, утворені різними домішками. Це забезпечує генерування одним переходом зеленого світла, а іншими – червоного. Регулюванням струмів через переходи можна змінювати колір свічення.

Світлодіоди широко використовуються для світлової інжекції в різноманітних електронних пристроях. Переваги інжекції на світлодіодах – яскраве й чисте свічення, зручність керування, економність, довговічність тощо.

Крім окремих світлодіодів, у напівпровідникових індикаторах застосовують дві основні конфігурації висві-чуваних елементів: семисегментну та матричну (рис. 6.4).

Сегментна конфігурація складається із 7 прямокутних напівпровідникових пластин, елементарні ділянки яких являють собою світлодіоди. Така конфігурація дозволяє відтворювати усі десять цифр і кілька букв. Матрична конфігурація складається з комірок, кожна з яких має 36 (7х5+1) точок і дозволяє відтворювати усі цифри, букви, знаки стандартного коду для обміну інформацією.

Рисунок 6.3 – Структура світлодіода з перестроюваним кольором свічення

а) б)

Рисунок 6.4 – Варіанти висвічуваних за допомогою світлодіодів елементів:

а) семисегментна конфігурація;

б) – матрична конфігурація