Maciej Hanaj ESO A”a”

Referat z przedmiotu maszyny elektryczne

wykładowca: dr inż. Bogdan Nienartowicz

Złącze typu p - n

Działanie przyrządów półprzewodnikowych opiera się na zjawiskach zachodzących w złączu p - n. Złącze to składa się z dwóch typów półprzewodników; p i n. Dla typu półprzewodników „n” nośnikami są elektrony, których istnieje duży nadmiar n>p. Dla półprzewodników typu „n” nośnikami są dziury. Występuje w nich niedobór elektronów n<p.

Dzięki dyfuzji elektronów z n do p i dziur z p do n powstaje w warstwie przejściowej strefa

ujemnego i dodatniego ładunku przestrzennego stanowiącego warstwę zaporową. W warunkach równowagi termodynamicznej nie płynie prąd elektryczny. Na wysokość bariery U możemy wpływać przez przyłożenie napięcia do złącza p-n.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje, gdy napięcie zewnętrzne jest doprowadzone do złącza PN, w taki sposób, że biegun dodatni źródła napięcia U jest połączony z obszarem P, biegun zaś ujemny z obszarem N. Inaczej mówiąc prąd dyfuzyjny jest znacznie większy, niż prąd wsteczny nośników mniejszościowych. Różnica między prądem dyfuzyjnym a prądem wstecznym płynie przez obwód zewnętrzny i nosi nazwę prądu przewodzenia.(rys.poniżej)

Polaryzacja w kierunku zaporowym(blokowania) występuje wówczas, gdy biegun dodatni źródła napięcia zewnętrznego połączony jest z obszarem N, biegun zaś ujemny z obszarem P. W tym przypadku polaryzacji ustaje całkowicie przepływ nośników większościowych, a odbywa się tylko ruch nośników mniejszościowych, nazywamy prądem wstecznym. Płynie on także w obwodzie zewnętrznym.(rys.poniżej)

Dioda

Jest to element półprzewodnikowy. Jej budowa jest przykładem typowego złącza p-n, które wczesniej opisałem.  Dioda podobnie jak elementy RLC jest elementem dwukońcówkowym, biernym, ale w odróżnieniu od nich jest elementem nieliniowym.
   W przypadku diody nie ma zastosowania prawo Ohma, ale za to ma ona bardzo pożyteczną cechę, a mianowicie prąd może przez nią płynąć tylko w jednym kierunku. Symbol graficzny diody przedstawiony jest na rys.1, jak widać jest on podobny do strzałki, która w tym przypadku wyznacza kierunek przepływu prądu przez diodę.

rys.1

Wyprowadzenie diody A jest nazywane anodą, a wyprowadzenie K jest nazywane katodą. Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli U_AK>0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody. W przypadku, gdy napięcie U_AK<0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie. Tak naprawdę to płynie tak zwany prąd wsteczny ale jest on zwykle o kilka rzędów mniejszy niż prąd przewodzenia dlatego przyjmuje się, że jest on równy zeru. Oczywiście tak jest do czasu, gdy napięcie zaporowe nie przekroczy pewnej granicy tak zwanego napięcia przebicia, a wówczas popłynie prąd porównywalny z prądem w kierunku przewodzenia. Zwykle powoduje to uszkodzenie diody, chyba, że mamy do czynienia ze specjalnym rodzajem diody tak zwanej diody Zenera, w której wykorzystywana jest napięcie przebicia do stabilizacji (inna nazwa takiej diody to stabilistor).

Charakterystyka diody
Na rys.2 przedstawiona jest charakterystyka diody I_D=I_D(U_AK). Jak widać na rysunku już przy bardzo małych napięciach U_AK (napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę I_D (prąd przewodzenia) bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu maksymalnego I_Fmax. Napięcie przewodzenia diody U_F określa się przy prądzie przewodzenia I_F=0,1·I_Fmax. Dla diody germanowej Ge (diody mogą być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.

rys.2

Przełączanie (zapalanie i gaszenie) diody
Oprócz napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu przewodzenia, bardzo ważnym parametrem diody jest jej czas magazynowania ładunku t_m. Proces wyłączania diody pokazany jest na przebiegach czasowych na rys.3. Dioda D włączona w układ z źródłem napięcia U_g nie wyłącza się od razu po zmianie napięcia U_g z dodatniego na ujemne. Jak widać na rysunku napięcie na diodzie spada z opóźnieniem równym czasowi magazynowania ładunku w złączu p-n. Typowe wartości tego czasu są dla diod małej mocy równe od ok. 10ns do 100ns, a dla diod dużej mocy nawet rzędu µs.
   Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi należy zwracać uwagę na to aby czas magazynowania był znacznie mniejszy od okresu sygnału, który ma ulec wyprostowaniu na diodzie.

rys.3

Prostownik jednopołówkowy - przykład zastosowania diody z obciążeniem R.
   Na rys.4 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. U_g jest źródłem napięcia przemiennego, a R_L jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym przypadku źródłem napięcia wejściowego U_g jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci 220V 50Hz, które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na obciążeniu UL wygląda tak jak na rysunku (przebieg niższy). Jak widać przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy U_g>0.6V). Można więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie U_L występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego U_g.

rys.4

Tranzystory

Najbardziej znanym i najważniejszym przedstawicielem elementów aktywnych w elektronice jest tranzystor. Elementy aktywne mają w odróżnieniu od elementów pasywnych możliwość wzmacniania mocy, czyli na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na wejściu. Tranzystory są podstawowymi składnikami niemal każdego układu elektronicznego począwszy od najprostszego układu wzmacniającgo, a skończywszy na najbardziej skomplikowanych układach opartych na mikroprocesorach.
   Tranzystory dzielą się na bipolarne i polowe. Tranzystory bipolarne dzieli się na krzemowe i germanowe, a każdy z nich może być typu npn lub pnp.  Na rys.5 przedstawione są symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze.
   Patrząc na diodowe modele zastępcze tranzystorów można stwierdzić, że tranzystor składa się z dwóch połączonych ze sobą diod o wspólnej warstwie n lub p. Dołączona do wspólnej warstwy elektroda nazywana jest bazą - B. Pozostałe elektrody tranzystora bipolarnego mają następujące nazwy: C - kolektor, E - emiter.
   Przyjęło się również w sposób określony oznaczać napięcia na tranzystorze. Napięcie na elektrodach tranzystora mierzone względem masy oznaczane jest indeksem w postaci pojedynczej dużej litery C, B lub E i tak na przykład U_C oznacza napięcie na kolektorze. Napięcie między dwoma elektrodami oznacza się podwójnym indeksem, np. dla napięcia między bazą, a emiterem będzie to U_BE.

rys.5

 Diodowy schemat zastępczy jest bardzo dużym uproszczeniem i nie wyjaśnia działania tranzystora, lecz daje pewien pogląd na to, jakie napięcia występują między jego elektrodami.
   Korzystając z tego schematu można powiedzieć, że w tranzystorze złącze baza-emiter i kolektor-baza zachowują się jak diody. Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki:

- dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera,

- dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera,

- „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor- baza w kierunku zaporowym,

- nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości I_C, I_B, U_CE, moc wydzielana na kolektorze I_C· U_CE, temperatura pracy czy też napięcie U_BE.

Aby te warunki były spełnione to źródła napięć zasilających muszą być podłączone jak na rys.6 dla tranzystora npn i jak na rys.7 dla tranzystora pnp.

rys.6
rys.7
   Bardzo ważnym jest aby patrząc na diodowy model zastępczy nie mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia „diody” kolektor-baza gdyż jest ona spolaryzowana zaporowo, a płynący prąd kolektora jest wynikiem działania tranzystora. Prąd kolektora I_C i prąd bazy I_B wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera I_E.
   Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:

I_C=h_FE· I_B=·I_B

gdzie h_FE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą. Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora, a więc nie jest parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu. Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystorów jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora.
   Dla uproszczenia dalszy opis dotyczący tranzystora będzie dotyczył tranzystora typu npn, dla tranzystora pnp wystarczy zmienić polaryzację wszystkich napięć na przeciwną.
   Stosując model diodowy można łatwo zauważyć, że w czasie pracy tranzystora napięcie na bazie można wyrazić wzorem:

U_B=U_E+U_BE

oczywiście dla tranzystorów pnp należy odwrócić polaryzację napięć. Ważną sprawą, na którą należy zatem zwrócić uwagę jest zbytnie przekroczenie wartości napięcia między bazą, a emiterem. Przekroczenie napięcia na bazie o więcej niż 0.6 do 0.8V (jest to napięcie przewodzenia diody) w stosunku do emitera spowoduje, że przez bazę przepłynie bardzo duży prąd, który może doprowadzić do uszkodzenia tranzystora.

Tranzystor jako wzmacniacz

Na rys.8 przedstawiony jest tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E_C), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria E_B). Z kolei na rys.9 pokazany jest rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p.

rys.8 rys.9
   Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego. Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest, aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik a nazywany współczynnikiem wzmocnienia prądowego, przy dużych sygnałach definiowany jako:

a=(I_C-I_C0)/I_E

gdzie I_C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I_B=0. W tranzystorach krzemowych wartość prądu I_C0(zależąca od temperatury) jest rzędu 0,001pA do 0,01pA i można go spokojnie pominąć. Dla większości tranzystorów wartość a zawiera się w granicach od 0,95 do 0,99 czyli praktycznie 1.
   Prąd bazy I_B składa się z prądu dziurowego płynącego od bazy do emitera i z prądu wynikającego z rekombinacji dziur w obszarze bazy.
   Tranzystory wykonywane są tak aby oba te prądy były jak najmniejsze. Osiągane jest to w ten sposób, że obszar n emitera jest bardzo silnie domieszkowany i prąd elektronowy złącza baza-emiter jest zdecydowanie większy od prądu dziurowego. W celu zmniejszenia drugiego składnika prądu bazy czyli prądu wywołanego rekombinacją, zmniejsza się obszar bazy. W efekcie prąd bazy I_B ma wartość bardzo małą w porównaniu z prądem kolektora I_C.
   W rezultacie można powiedzieć, że mały prąd wejściowy bazy I_B steruje znacznie większym prądem wyjściowym kolektora I_C, a więc następuje efekt wzmocnienia.
   Aby znaleźć zależność między I_B oraz I_C należy przeprowadzić kilka wyliczeń. Z rys.8 wynika, że

I_C+I_B=I_E

co w połączeniu ze wzorem na współczynnik a (z tego wzoru wyliczyć należy I_E i podstawić do wzoru umieszczonego wyżej, a dalej to tylko przekształcenia) daje następujący wynik

Wcześniej użyłem już pojęcia wzmocnienia prądowego beta, teraz należałoby go bliżej zdefiniować

następnie można napisać

I_C=(1+)·I_C0+·I_B

Prąd I_C0 jest znacznie mniejszy od prądu I_B i wobec tego współczynnik wzmocnienia dla prądu stałego wynosi

Charakterystyki tranzystora

Na rys.11 pokazana jest charakterystyka wyjściowa tranzystora, która przedstawia zależność prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U_BE. Z charakterystyki tej można stwierdzić, że:

powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U_CE,

do wywołania dużej zmiany prądu kolektora I_C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter U_BE.

rys.10 i 11(po prawej)

Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter U_CEsat.
   Zależność prądu kolektora od napięcia wejściowego jest lepiej widoczna na charakterystyce przejściowej pokazanej na rys.9. Prąd kolektora I_C jest tu funkcją napięcia baza-emiter U_BE. Charakterystyka ta, tak jak i charakterystyka diody ma charakter wykładniczy. Jednak w odróżnieniu od równania diody dla tranzystora współczynnik korekcyjny m jest praktycznie równy jeden i wzór opisujący charakterystykę przejściową można z dobrym przybliżeniem przedstawić jako:

Aby tranzystor pracował jako czwórnik należy jedną z końcówek traktować jako wspólną dla wejścia. Dla wzmacniaczy mocy potrzebne jest, aby baza była jedną z końcówek wejściowych a kolektor jedną z końcówek wyjściowych.

Tyrystor SCR

Tyrystor jest to element półprzewodnikowy o trzech złączach wykonanych w jednej płytce półprzewodnika typu P lub N. Ma on trzy elektrody: katodę K, bramkę G i anodę A. Pod względem działania można go uważać za diodę półprzewodnikową sterowaną. Przewodzi on prąd jednokierunkowo, tj. od anody do katody. Elektrodą sterującą jest bramka. Z punktu widzenia użytkownika tyrystor jest wyłącznikiem w, zamykanym za pomocą dodatniego prądu bramki.

symbol graficzny schemat budowy

Na płytkę półprzewodnikową typu P, oznaczoną na rysunku przez P₁, nałożono warstwy półprzewodnikowe N₁, N₂, a następnie na N₂ warstwę P₂. Złącza między nimi oznaczono przez z₁ (N₁P₁), z₂ (P₁N₂) i z₃ (N₂P₂). Elektroda zewnętrzna P₂ stanowi anodę, a elektroda N₁ - katodę. Jeżeli do anody doprowadzimy zacisk (-) ze źródła napięcia, a do katody zacisk (+), to prąd w tym obwodzie nie popłynie, bo złącza z₁ i z₃ będą działać zaporowo. Jeżeli natomiast anodę połączymy z zaciskiem (+), a katodę z zaciskiem (-) źródła napięcia przez zamknięcie wyłącznika w₁ (na powyższym rysunku) przy otwartym wyłączniku w₂, to złącze z₂ będzie działać zaporowo i prąd również nie popłynie. Układ złączy możemy traktować jako tranzystor o bazie P₁. doprowadzając niewielkie napięcie między bazę P₁ a katodę N₁, która odgrywa rolę emitera, możemy zniweczyć zaporowe działanie warstwy z₂. Po zamknięciu wyłącznika w₂, przy zamkniętym wyłączniku w₁, zaobserwujemy odchylenie wskazówki amperomierza. Na tym polega działanie sterujące tyrystora. Elektroda P₁, nazywana bramką, jest elektrodą sterującą.

Tyrystor możemy załączyć impulsem bramkowym, ale tylko gdy jest prawidłowo spolaryzowany (anoda:+ katoda:-). Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej IH - prądu podtrzymania.

Często spotyka się tyrystory jako główny element budowy bezstykowych łączników tyrystorowych używanych w obwodach elektrycznych.

Głównymi jego zaletami są:

- krótkie czasy załączania i wyłączania,

- bezgłośna praca wskutek braku części ruchowych,

- dowolne położenie pracy,

- odporność na drgania i wstrząsy,

- niski poziom zakłóceń radioelektrycznych

Schemat złącza p-n

Rozkład koncentracji akceptorów Na i donorów Nd

Na

Nd

N

X

Rozkład wypadkowego ładunku w obszarze p-n

Rozkład potencjału

---