ELEKTRONICKÉ POLOVODIČOVÉ PRVKY S VIAC AKO DVOMA PRIECHODMI PN - SPÍNACIE VÝKONOVÉ VIACVRSTVOVÉ PRVKY

Transcript

1 ELEKTRONICKÉ POLOVODIČOVÉ PRVKY S VIAC AKO DVOMA PRIECHODMI PN - SPÍNACIE VÝKONOVÉ VIACVRSTVOVÉ PRVKY Sú charakteristické dvoma stabilnými stavmi. Nevodivý stav je charakterizovaný vysokým odporom (otvorený spínač), vodivý stav je charakterizovaný malým odporom (zopnutý spínač). Spomedzi viacerých vyrábaných súčiastok sú najrozšírenejšie tyristory, diaky a triaky

2 TYRISTOR Thyristor Silicon Controlled Rectifier (SCR) Je bistabilný polovodičový prvok so štruktúrou PNPN alebo NPNP. Má tri vývody, anódu A, katódu K a ovládaciu elektródu G. Jednotlivé vrstvy polovodiča sú navzájom oddelené tromi priechodmi PN.

3 V prípade typu PNPN sú označované ako: záverný- J 1, blokovací- J 2 injekčný- J 3

4 J 1 J 2 J 3 A P N P N K U AK G A I AK G I GT K A a/ b/ J 3 J 2 J 1 K N P N P G U AK V prípade tyristora typu NPNP priechody J 1 a J 3 majú vymenené funkcie. K A I AK I GT G

5 Štruktúra tyristora A A N 2 K J 1 P + 1 G J 2 N 1 J 3 N 2 P 2 N2 K G

6 Koncentračný profil tyristora A P 1 N 1 P 2 N 2 K N A m -3 G m m -3 x N D m -3

7 Tyristor sa môže podľa pripojeného napätia na elektródach nachádzať v troch základných stavoch (režimoch) činnosti: a/ záverný stav U AK <0 b/ blokovací stav U AK >0 c/ vodivý stav U AK >0

8 a/ záverný stav U AK <0 Na anódu je pripojený záporný pól zdroja a na katódu kladný pól zdroja. Priechody J 1 (záverný) a J 3 (injekčný) sú polarizované záverne a priechod J 2 (blokovací) priepustne. A P 1 J 1 J 2 J 3 + N 1 P 2 N 2 K G U AK je celé na priechode J 1, tyristorom tečie veľmi malý saturačný prúd priechodu J 1

9 I-U charakteristika tyristora I AK (ma) U BRR - prierazné napätie priechodu J 1 I GT - prúd riadiacej elektródy G U BRR I GT0 I GT1 > > I GT2 U R (V) U AK (V) Záverná oblasť I R (ma)

10 b/ Priepustne polarizovaný tyristor - blokovací stav U AK >0 Na anódu je pripojený kladný pól zdroja a na katódu záporný pól zdroja. Priechody J 1 (záverný) a J 3 (injekčný) sú polarizované priepustne a priechod J 2 (blokovací) záverne. A + P 1 J 1 J 2 J 3 + N 1 + P 2 N - 2 K G

11 U AK je celé na priechode J 2, (blokovacie napätie) tyristorom tečie veľmi malý saturačný prúd priechodu J 2 Priechody J 3 a J 1 injektujú nosiče náboja len do oblastí N 1 a P 2

12 Tyristor je v blokovacom stave, pokiaľ sa neprepolarizuje priechod J 2 do priepustného stavu Tento stav nastane vtedy, keď sa prekročí hodnota blokovacieho napätia tyristora v priepustnom smere, ktoré nazývame spínacie napätie U BR Veľkosť spínacieho napätia závisí hlavne od veľkosti spínacieho prúdu I GT

13 I-U charakteristika tyristora I AK (ma) Blokovacia oblasť U R (V) U BRR I GT0 I GT1 I GT2 > > I GT2 U BR2 > < I GT1 U BR1 < > I GT0 U BR0 U AK (V) Záverná oblasť I R (ma)

14 c/ Priepustne polarizovaný tyristor vodivý stav U AK >0 Pri dosiahnutí hodnoty spínacieho napätia dochádza k prepolarizácii priechodu J 2. Tyristor sa začne správať ako dióda v priepustnom smere. Napätie U AK prudko poklesne na 1 až 3V a prúd I AK prudko vzrastie a je obmedzený len odporom v obvode.

15 I-U charakteristika tyristora I AK (ma) Vodivá oblasť Blokovacia oblasť U BRR I GT I GT2 > I GT1 > I GT0 U R (V) U BR2 < U BR1 < U BR0 U AK (V ) Záverná oblasť I R (ma)

16 TYRISTOR MOŽNO ZOPNÚŤ DO VODIVÉHO STAVU (spínanie tyristora z blokovacieho stavu ) TROMA SPÔSOBMI: 1. Prúdom ovládacej elektródy I GT Tento spôsob je najprirodzenejší pre štandardný tyristor. Spínacie časy - okolo 5µs

17 Prúd I GT spôsobí zvýšenie injekcie minoritných nosičov náboja priechodov J 3 a J 1. Tieto injektované nosiče náboja nakoniec spôsobia kompenzáciu ionizovaných donorov a akceptorov v OPN priechodu J 2 a jeho prepolarizáciu do priepustného stavu. J 1 J 2 J 3 A + P 1 N 1 + P 2 N - 2 K I GT G U GT U AK R

18 Priepustnou polarizáciou priechodu J 3 začne pretekať prúd I GT. Priechod J 3 injektuje elektróny do oblasti priechodu J 2, kde sú tieto nosiče urýchlené a prechádzajú do bázy tyristora N 1, kde zväčšia koncentráciu majoritných nosičov náboja. J 1 J 2 J 3 A + P 1 N 1 + P 2 N - 2 K G

19 Tým dôjde k zvýšenej injekcii minoritných nosičov náboja z priechodu J 1. Časť týchto dier sa opäť dostane difúznym pohybom k priechodu J 2 a ľahko prenikne za tento priechod do oblasti P 2. Tu ako majoritné nosiče opäť spôsobia zväčšenie injekcie priechodu J 3. A + J 1 J 2 J 3 + N P 2 N G P 1 K

20 Proces zvyšovania injekcie nosičov priechodov J 1 a J 3 pokračuje tak dlho, až v oblastiach N 1 P 2 priľahlých k priechodu J 2 bude také množstvo minoritných nosičov náboja, že postačí na kompenzáciu ionizovaných nábojov v OPN tohto priechodu. A + P 1 J 1 J 2 J 3 + N P 2 N Tým dôjde k zmene polarizácie priechodu J 2 G do priepustného stavu K

21 A + J 1 J 2 J 3 + N P 2 N G P 1 I GT U GT K U AK R Spínací prúd I GT a spínacie napätie U GT ovládacej elektródy tyristora s rastúcou teplotou klesajú.

22 2. Vysokým U AK Toto napätie sa zvýši tak, že dôjde k lavínovému prierazu priechodu J 2. Veľkosť blokovacieho napätia je len o niečo menšia ako U BRR Veľmi zriedkavý spôsob spínania tyristora. Používa sa u tzv. Shockleyoho diódy.

23 3. Veľkou strmosťou nárastu U AK - du AK /dt Ide o nežiadúci spôsob zopnutia tyristora, spôsobený parazitnou kapacitou priechodu J 1 Bežné tyristory pracujú spoľahlivo do hodnoty 1000V/µs

24 Vypnutie tyristora Pri prechode do blokovacieho stavu je potrebné obnoviť blokovaciu schopnosť priechodu J 2 tým, že sa odstránia z jeho blízkosti nahromadené nosiče náboja. Čas vypnutia tyristora býva okolo 20 µs

25 Tyristor možno vypnúť dvoma spôsobmi: G a- krátkodobou komutáciou U AK, I AK A I AK K R L I OFF + U B Tyristor v jsm.obvode T Impulzný generátor ON trigger Keď T ON(sat), v obvode prúd I OFF proti I AK. t

26 b- zmenšením hodnoty prúdu I AK pod hodnotu vratného prúdu I H Tyristor možno použiť aj na spínanie jednosmerných obvodov; potom je nutné sa postarať o vypínanie tyristora špeciálnym obvodom, ktorý, napr. zopnutím kondenzátora k anóde tyristora na chvíľu prevezme prúd obvodom a tým prúd tyristorom klesne pod hodnotu vratného prúdu I H. Pre obvody s jednosmerným napätím je typické riadenie výkonu impulzom rovnakej šírky a zmenou frekvencie (vzpomeňte si na trolejbus, pri rozjazde spieva na vyššej frekvencii).

27 Pre obvody striedavého napätia, kde je frekvencia daná, mení sa výkon zmenou šírky aktívnej časti periódy, tj. časti periódy, počas ktorej je záťaž pripojená ku zdroju. Bežné tyristory sa nedajú vypnúť prerušením prúdu v riadiacom obvode GTO tyristory majú túto schopnosť

28 Bežné tyristory sa nedajú vypnúť prerušením prúdu v riadiacom obvode. GTO (Gate Turn-Off Switch) tyristory majú túto schopnosť. Má väčšie spínacie prúdy oproti klasickému tyristoru. Má rovnaký spínací aj vypínací čas ( 1µs).

29 I-U charakteristika tyristora I AK (ma) Vodivá oblasť U BRR I GT I V I H I GT2 > Blokovacia oblasť I GT1 > I GT0 U R (V) U BR2 < U BR1 < U BR0 U AK (V) Záverná oblasť I R (ma) I V je prídržný prúd I H je vratný prúd

30 I H je vratný prúd tyristora. Je to najmenší možný prúd tyristora v priepustnom stave. Pri poklese prúdu pod túto hranicu prejde tyristor do blokovacieho stavu. I V je prídržný prúd tyristora. Je to najmenší prúd tyristora, ktorý je schopný zachovať priepustný stav tyristora po zavedení spínacieho impulzu z blokovacieho stavu tyristora na riadiacu elektródu.

31 Na výrobu tyristorov sa používa výhradne kremík. Malovýkonové tyristory sú vyrábané pre prúdy jednotky až desiatky ampérov a desiatky až stovky voltov. Katalógové hodnoty Pre silnoprúdové aplikácie sú to prúdy okolo 2 ka a napätia do 3 kv.

32 Proces zopnutia tyristora možno vysvetliť aj zapojením dvoch komplementárnych tranzistorov (PNP a NPN), ktoré nahrádzajú funkciu tyristora v tomto režime V tranzistoroch dochádza k zvyšovaniu prúdového zosilňovacieho činiteľa, až kým nezopnú obidva tranzistory.

33 A I AK A Rovnice tyristora PNP J 1 J 2 J 3 P N P N NPN P G N PNP G U G T 1 I B1 I C1 I B2 T 2 I AK I C2 NPN pre : I GT =0 I = I + AK K K a/ b/ I C1 C2 I =αi + C1 1 AK CB01 =α I I + C2 2 AK CB02 I I α I AK I = CB0 ( α + ) 1 α α + α 1 I 1 2 AK << ; α << I I 2 AK CB0

34 Rovnice tyristora pre : I 0 GT I AK α I + I = 2 GT CB 0 ( α + ) α

35 Použitie tyristorov Riadený spínač výkonu. Umožňuje dosiahnúť vysokú energetickú účinnosť. Regulácia elektrického príkonu impulzným spôsobom. Ovládanie nabíjacieho prúdu v nabíjačke batérií. Riadenie regulátora teploty.

36 Jednocestné spínanie výkonu S I L D I G =0 I G R G A K U AK R L Spínač S - elektronický alebo mechanický. I L + U i Dióda D zabráni komutácii I G. t

37 Ak je spínač zopnutý-tečie prúd I G, keď na vstupe bude kladná polvlna striedavého napätia - tyristor zopne. R obmedzuje veľkosť I G. Po zopnutí tyristora poklesne jeho U AK a zmenší sa aj I G a straty. Počas zápornej polvlny vstupného striedavého napätia sa tyristor vypne. Výsledkom sú usmernené kladné polvlny zaťažovacieho prúdu.

38 Spínanie tyristora zmenou fázového uhla R R L A I L R 1 D I G G K U AK U i I L 0 90 t Odporom R 1 ovládame uhol spínania.

39 Kombinácia odporov R a R1 určuje veľkosť I G Ak je R 1 malý, tyristor zopne skoro okamžite ako v predchádzajúcom prípade. Keď odpor R 1 rastie, je potrebné väčšie vstupné napätie U i na dosiahnutie dostatočne veľkého I G, aby tyristor zopol. Uhol zopnutia môžeme nastaviť iba v rozsahu 0 až 90, lebo iba v tomto rozsahu rastie U i, ktoré môže zopnúť tyristor.

40 Je-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.

41 Fázové riadenie pomocou tyristora Fázové riadenie sa využíva hlavne pri riadení výkonu, otáčiek motora, jasu svetelných zdrojov a iných aplikáciách. Výhodou tohto riadenia je, že umožňuje veľmi úsporne riadiť veľké výkony bez vzniku veľkých výkonových strát

42 U [ ] ϕ rad R U 2 U R [ ] ϕ rad U 1 Ty U R RIADIACI OBVOD U 2 U R 0 α [ ] ϕ rad 12 ϕ[ rad] Zapojenie a priebehy obvodu fázového riadenia U α [ ] ϕ rad

43 Nedostatkom fázového riadenia je, že pri zopnutí tyristora vo vnútri polperiódy vzniká silné rušenie (je najväčšie pri zopnutí tyristora v oblasti vrcholu striedavého napätia, tam je du/dt najväčšie), generuje sa veľké množstvo vyšších harmonických. Preto je potrebné odrušiť zapojenie pomocou RC člena.

44 Fázové riadenie v oboch polvlnách. Ak potrebujeme využívať obe polperiódy môžeme usmerniť striedavé napätie na mostíkovom usmerňovači a tyristor riadiť impulzmi s frekvenciou, ktorá je dvojnásobná voči frekvencii napájacieho napätia U 1.

45 U 1 ϕ[ rad] R U [ ] ϕ rad U 1 Ty U R Riadiaci obvod U R U ϕ[ rad] Obvod fázového riadenia. 0 α [ ] ϕ rad Priebehy napätí obvodu fázového riadenia.

46 Svetlom spínaný tyristor - fototyristor Štruktúra podobná klasickému tyristoru, len je konštrukčne prispôsobená plocha hradla na dopad svetla. Fotóny generujú nosiče.

47 DIAK DIAC Diode AC Switch Diak je trojvrstvový prvok s tranzistorovou štruktúrou NPN alebo PNP, ktorý nemá vyvedenú bázu. A 1 N P N A 2 J 1 J 2 Pri ľubovoľnej polarite vonkajšieho napätia je vždy jeden z priechodov J 1 a J 2 polarizovaný v priepustnom smere a druhý v závernom smere.

48 Štruktúra diaka A 1 N 2 J 1 P 1 N 0 N + 1 J 2 N + 2 P 2 A 2

49 Pri zvyšovaní napätia dochádza v záverne polarizovanom priechode k nárazovej ionizácii nosičov náboja. Priechody v diaku simulujú vlastností priechodov J 3 a J 2 v tyristore, podľa polarity vonkajšieho napätia je jeden injektujúci a druhý blokovací.

50 Diak je nelineárny prvok so symetrickou I-U charakteristikou, vzhľadom na počiatok osí U A2 (V) U B02 U U F I-U charakteristika diaka I A1 (ma) U I F I B01 I B02 0 U F U B01 U A1 (V) I F I A2 (ma)

51 Keď napätie na diaku prekročí hodnotu spínacieho napätia U B0, dôjde k lavínovému prierazu priechodu polarizovanému v závernom smere, zmenší sa jeho odpor a napätie na diaku poklesne o hodnotu U (záporný dynamický odpor).

52 S rastúcim prúdom klesá napätie na diaku k asymptotickej hodnote U F. Pretože tento bod leží vysoko nad krivkou dovoleného stratového výkonu, v katalógoch sa vždy udáva hodnota poklesu napätia U pri danej veľkosti prúdu I F.

53 Dôležité parametre diaka, ktoré výrobca udáva v katalógu sú : spínacie napätie U B0, spínací prúd I B0, zmena napätia U pri danej veľkosti prúdu, symetria spínacích napätí v obidvoch smeroch U B01 - U B02 teplotný koeficient spínacieho napätia TKU B0

54 Spínacie napätie U B0 dosahuje hodnoty v rozsahu 20 až 40 V (pri prúde I B0 < 1 ma), pri zopnutí klesne napätie na prvku o 6 až 8 V. Diaky sa vyrábajú pre výkonové zaťaženie 100 až 200 mw a impulzné prúdy 1 až 2 A. Diak sa vyznačuje veľkou stabilitou spínacieho napätia U B0 v závislosti od teploty. Hodnota býva menšia ako 0, 1 % K - 1. Hodnota spínacieho prúdu I B0 je však značne závislá od teploty. Statický odpor diaka v zopnutom stave sa pohybuje v intervale od 8 do 20 kω, preto sa nehodí na trvalé spínanie.

55 Diak sa vyznačuje veľkou stabilitou spínacieho napätia U B0 v závislosti od teploty. Hodnota býva menšia ako 0,1 % K - 1. Hodnota spínacieho prúdu I B0 je však značne závislá od teploty. Statický odpor diaka v zopnutom stave sa pohybuje v intervale od 8 do 20 kω, preto sa nehodí na trvalé spínanie.

56 Diak sa predovšetkým používa na vytváranie prúdových impulzov na spínanie tyristorov a triakov, pre generátory nesínusových kmitov. Ďalej sa môže použiť ako prepäťová ochrana.

57

58 TRIAK TRIAC Triode AC Switch Názov triak sa používa pre obojsmerný triódový tyristor. Triak je päťvrstvová štruktúra typu NPNPN alebo PNPNP, ktorú si možno predstaviť ako zapojenie štvorvrstvovej štruktúry PNPN a priechodu PN polarizovaného v závernom smere.

59

60 Triak využíva pri svojej činnosti čiastočne skratované priechody PN, ktoré ovplyvňujú injekčné schopnosti priechodov. Pri určitej hodnote skratovacieho prúdu I SKR je rozdelenie potenciálov také, že polarizuje určité oblasti priechodu a tak dôjde k zväčšeniu injekcie nosičov náboja.

61 Štruktúra triaka NPNP s prídavnou vrstvou N G J 1 J 2 N 2 A 1 P 1 N 0 P 2 N 1 N 2 N G J 5 J 3 J 4 A 2 G

62 Polarizácia triaka U A1 >U A2, U G >0 Spínanie triaka do blízkej bázy (P 2 ) Tyristorový prúd J 1 I A1A2 J 2 N 2 - A 2 A 1 P 1 N 0 P 2 + I SKR N 1 J 5 J 3 J 4 N G + G Riadiaci prúd

63 Triak môže spínať striedavý prúd prechádzajúci medzi elektródami A 1 a A 2 a ovláda sa prúdom ľubovoľnej polarity medzi elektródou A 2 a ovládacou elektródou G.

64 Spínanie triaka do blízkej bázy (P 2 ) Hlavná tyristorová štruktúra triaka P 1 N 0 P 2 N 2 Pomocná tyristorová štruktúra triaka P 1 N 0 P 2 N G Vrstvy N G a N 1 sú neaktívne

65 Polarizácia triaka U A1 >U A2, U G <0 Spínanie triaka do vzdialenej bázy (N 0 ) A 1 + J 1 I A1A2 J 2 N 2 - A 2 P 1 N 0 P 2 I SKR N 1 J 5 J 3 J 4 N G - G Riadiaci prúd

66 Spínanie triaka do vzdialenej bázy (N 0 ) Hlavná tyristorová štruktúra triaka P 1 N 0 P 2 N 2 Pomocná tyristorová štruktúra triaka P 1 N 0 P 2 N G Vrstva N 1 je neaktívna

67 Triak je nelineárny prvok so symetrickou I-U charakteristikou, vzhľadom na počiatok osí U A2 (V) U BR1 Blokovacia oblasť Vodivá oblasť I-U charakteristika triaka I V I H I A1 (ma) 0 I H IV I H je vratný prúd I A2 (ma) U BR1 je spínacie napätie Vodivá oblasť Blokovacia oblasť U BR1 U A1 (V) I V je je prídržný prúd

68 Veľkosť napätia U BR1 závisí od veľkosti ovládajúceho prúdu, podobne ako pri tyristore. Vypnutie triaka sa dosiahne znížením jeho prúdu pod hranicu vratného prúdu I H alebo komutáciou napätia do opačného smeru. Vypínací čas triakov sa pohybuje na úrovni jednotiek µs. Čas zopnutia sa pohybuje okolo 1µs.

69 Činnosť triaka závisí od teploty, spínacie napätie s rastúcou teplotou klesá. Pri zvýšení teploty na 100 C sa spínacie napätie zmenší asi na 60 % hodnoty, ktorú mal pri izbovej teplote. Parametre triakov sa pohybujú v týchto intervaloch : napätie 100 až 1200 V, priepustný prúd od jednotiek do stoviek ampérov, spínacie riadiace napätie asi 3 V a spínací prúd od 10 ma do 1 A.

70 Použitie triakov Triak sa používa na bezkontaktné spínanie striedavého prúdu, v obvodoch reverzačných pohonov, a na najrôznejšie regulačné a signalizačné účely.

71 Fázové riadenie pomocou triaka Na spínanie triaka stačia spínacie impulzy jednej polarity, čo zjednodušuje riadiaci obvod. Triak spína obidve polvlny.

72 U 1 U 2 U 1 ϕrad [ ] U R Riadiaci obvod Obvod fázového riadenia. U R ϕrad [ ] U 2 ϕrad [ ] α Priebehy napätí pri fáz. riadení.

73 Výkonové bipolárne tranzistory Tradičné súčiastky, prvé vyrábané. Vlastnosti: A.Veľký kolektorový prúd B.Vysoké záverné, blokovacie napätie Výkonový bipolárny tranzistor Darlingtonove zapojenie bipolárnych tranzistorov

74 Výkonový bipolárny tranzistor Od štandardného sa odlišuje len väčšími aktívnymi plochami. Kolektor tvorí hrubá a nízko dotovaná vrstva Dotácia < cm -3. Blokovacie napätia až niekoľko tisíc voltov. Dôležitý je odvod tepla- návrh väčších plôch. Kirkov efekt - vyššou dotáciou kolektora. Potom znížené blokovacie napätietreba voliť kompromis.

75 Kirkov efekt Pri zvýšení kolektorového prúdu dochádza k eliminácii OPN priechodu B-C. Dochádza k vytláčaniu bázy do kolektora, zväčšuje sa šírka bázy a tým rastie čas prenosu nosičov náboja bázou,zväčšuje sa kapacita B-C priechodu a znižuje sa prenosová frekvencia a zmenšuje sa prúdový zisk. J Kirk =v sat.q.n DBC Zníženie efektu: vyššia dotácia prímesí kolektora, vytvorenie subkolektora, zachová sa vysoké U BR kolektora.

76 Výkonové bipolárne tranzistory Pomer obvodu emitora k jeho ploche je zvýšený. Interdigitálna štruktúra. B E

77 Si dominuje na trhu-dobrá tepelná vodivosť. SiC -už súčasnosť, perspektíva do budúcnosti. Ešte vysoká cena na trhu. 3x väčšia tepelná vodivosť. 3x vyššia saturačná rýchlosť,spínanie. rýchlejšie,odďaľuje začiatok Kirkovho efektu do vyšších prúdových hustôt. 10x vyššia intenzita elektrického poľa ako Si.

78 Darlingtonove zapojenie bipolárnych tranzistorov Dvojica tranzistorov v zapojení emitorového sledovača s jedným spoločným kolektorom. Výhoda: Výsledný prúdový zisk je daný súčinom ziskov obidvoch tranzistorov. Nevýhoda: vysoké saturačné napätie znamená vyššie výkonové straty v zopnutom stave.

79 T 1 T 2 C T D 2NN999 B U CE1 β D =β 1.β 2 β B U BE2 U CE2 =U CE1 +U BE2 E T 1 T 2 E P N + N + P N epitax N + substrát C

80 Darlingtonove zapojenie +U CC U CE2 =U CE1 +U BE2 I B R B B U BE(D) =1,6V U CE1 U BE2 I C C E I E R E I E I B = U R CC B U +β D BE R E ( β + ) I β I D B D B = 1 I I E C U = E I E R E U = U + B E U BE

81 Príklad: +U CC =18V I B R B =3,3MΩ B U BE(D) =1,6V β D =8000 U CE1 U BE2 I C C E I E R E =390Ω I B =2,56µA I E I C =20,48mA U E =8V U B =9,6V U C =18V

82 Výkonové MOS tranzistory Výkonový tranzistor je schopný spínať kolektorové prúdy najmenej 1A. Nevýhodou výkonových bipolárnych tranzistorov je: 1. vysoká hodnota bázového prúdu, ktorým sú spínané, (až 1/5 hodnoty kolektorového prúdu) 2. vysoká tepelná závislosť napätí aj prúdov 3. diery spôsobujú zníženie spínacej rýchlosti 4. väčšie plochy čipov

83 MOS tranzistory nepracujú s injekciou minoritných nosičov náboja, napätie v priepustnom smere s teplotou rastie, čo umožňuje paralelné vetvenie tranzistorov.

84 LD MOS Laterally Diffused Asymetrický výkonový MOS tranzistor s nízkym R DS(ON) a vysokým blokovacím napätím U DS Source - Gate + Drain + kanál P + N + P N + N epitax P+substrát Bulk P -

85 R DS(on) = R source +R ch +R A +R j +R D +R sub +R wcml R source R ch R A R D R sub odpor source oblasti odpor kanála akumulačný odpor odpor driftovej oblasti odpor substrátu R wcml odpor kontaktov a prívodov

86 Symetrický DMOS - Source Gate + kanál P N + + P P N + P + N epitax N + substrát SiO 2 +Drain Al

87 - Source V - MOS Gate + 2 vertikálne MOS tranzistory kanál N + substrát SiO N + 2 P N epitax +Drain Al

88 Výhody Veľký kolektorový prúd Vysoké záverné, blokovacie kolektorové napätie Nízkodotovaný drain U DS V Groove (zárez). Anizotropné leptanie KOH na (100) Si. Dĺžka kanála je daná hrúbkou P vrstvy.

89 - Source U - MOS Gate + 2 vertikálne MOS tranzistory N + substrát SiO N + 2 P N epitax +Drain Al

90 Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT Štruktúra N-kanálového IGBT katóda - Kanál MOSFETu Gate kov Kolektor bip.tranz. Báza bip.tranz. Emitor bip.tranz. J 3 J 1 J 2 Kovová elektróda N+ P Driftová oblasť + anóda N+ N- N+ P+ SiO 2 Source MOSFETu buffer Drain MOSFETu

91 Princíp činnosti IGBT- vertikálna bipolárna štruktúra je ovládaná hradlovým napätím unipolárnej štruktúry. Blokovací režim nie je vytvorený kanál v MOSFETe, (nie je vytvorená inverzná vrstva pod hradlovou elektródou v P- oblasti kolektora bipolárneho tranzistora), na hradle G je napätie menšie ako prahové napätie MOSFETu.

92 Celé napätie vertikálnej štruktúry, je na priechode J 2, ktorý je záverne polarizovaný, ak je na anóde kladnejšie napätie voči katóde,(priepustné blokovacie napätie). Prierazné napätie priechodu J 2 určuje vrstva N - môže byť aj viac ako 1000V. Tranzistorom tečie len zvodový prúd priechodu J 2.

93 Nárazníková vrstva(buffer) N+ oddeľuje OPN priechodu J 2 od P-oblasti kolektora bipolárneho tranzistora. Dovoľuje znížiť hrúbku bázy,driftovej oblasti a tým znižuje straty vo vodivom režime. Znižuje však prierazné napätie priechodu J 3 ak je na anóde záporné napätie. Zaujímavé-source a drain MOSFETu nemajú rovnaký typ vodivosti!

94 Vodivý režim Zopnutie tranzistora sa dosahuje zvýšením U GS nad úroveň U T. Formuje sa inverzná vrstva-kanál,ktorý spája source s driftovou oblasťou. Elektróny sú injektované zo sourceu do driftovej oblasti a zároveň priepustne polarizovaný J 3, injektuje diery do N - driftovej oblasti.

95 To spôsobuje moduláciu vodivosti driftovej oblasti,ktorá je zaplavená nosičmi náboja. Preto má tranzistor v ON stave veľmi malý odpor, nízky úbytok napätia a nízke straty. Časť dier rekombinuje v driftovej oblasti a časť prechádza do P oblasti,kde sú zbierané katódou, kolektorom bipolárnej štruktúry. Činnosť IGBT môže byť považaná ako PNP tranzistor so širokou bázou,ktorého bázový prúd je zabezpečený prúdom z MOSFETu cez jeho kanál.

96 Náhradný obvod IGBT Rdrift E Parazitná tyristorová Štruktúra (latch up) E Rdrift G D S B G D S B C R C latpoblasti Ak prúd cez R latpoblasti je veľký otvorí parazitný tranzistor a z N+oblasti veľká injekcia skrat do P oblasti a gate MOSFETu stráca kontrolu.

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111