Лекция №4

Как показывает текущая статистика отказов современных системных блоков питания, наибольшее количество неисправностей возникает во вторичных цепях источников питания. Отказы силовых транзисторных ключей (наиболее типовая неисправность блоков питания предыдущих поколений) на сегодняшнее время случаются крайне редко, что является показателем тех успехов, которые были достигнуты за прошедшее пятилетие производителями силовой полупроводниковой электроники. Одним из самых проблематичных узлов современных блоков питания становятся вторичные выпрямители на диодах Шоттки, что обусловлено большими значениями выходных токов блока питания.

Диод Шоттки (назван в честь немецкого физика Baльтера Шоттки) – полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков Вольт.

Достоинства диодов Шоттки

В то время как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0.6 – 0.7 В, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0.2 – 0.4 В. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт. При больших обратных напряжениях, прямое падение становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки низковольтными цепями. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжение нормируется на уровне от 0.75 В (T = 125°C) до 1.07 В (T = -55°C).

Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту диода. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (т.е. короткое время восстановления) позволяет строить выпрямители, работающие на частотах в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 1000 В/мс.Б.

Благодаря лучшим временным характеристикам и малым емкостям перехода, выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их наиболее предпочтительными для применения в импульсных блоках питания аналоговой и цифровой аппаратуры.

Недостатки диодов Шоттки

Во-первых, при кратковременном превышении максимального обратного напряжения, диод Шоттки необратимо выходит из строя, в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности, после падения напряжения диод полностью восстанавливает свои свойства.

Во-вторых, диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0.12 мА при +25°C до 6.0 мА при +125°C. У низковольтных диодов в корпусах ТО-220 обратный ток может превышать величину в сотни миллиампер (MBR4015 - до 600 мА при +125°C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки (рис.1) имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с увеличением приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения не зависит. В обоих случаях, при прямом и обратном смещении, ток в барьере Шоттки обусловлен основными носителями заряда - электронами. По этой причине диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, поскольку в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Несимметричность вольт-амперной характеристики барьера Шоттки является типичной для барьерных структур. Зависимость тока от напряжения в таких структурах обусловлена изменением числа носителей, принимающих участие в процессах зарядопереноса. Роль внешнего напряжения заключается в изменении числа электронов, переходящих из одной части барьерной структуры в другую.

Диоды Шоттки в блоках питания

В системных блоках питания, диоды Шоттки используются для выпрямления тока каналов +3.3В и +5В, а, как известно, величина выходных токов этих каналов составляет десятки ампер, что приводит к необходимости очень серьезно относиться к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь. Решение этих вопросов способно значительно увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.

Итак, для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при переключении, в самых сильноточных каналах (+3.3В и +5В), где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используются диоды Шоттки. Применение диодов Шоттки в этих каналах обусловлено следующими соображениями:

1. 1) Диод Шоттки является практически безынерционным прибором с очень малым временем восстановления обратного сопротивления, что приводит к уменьшению обратного вторичного тока и к уменьшению броска тока через коллекторы силовых транзисторов первичной части в момент переключения диода. Это в значительной степени снижает нагрузку на силовые транзисторы, и, как результат, увеличивает надежность блока питания.

2. 2) Прямое падение напряжения на диоде Шоки также очень мало, что при величине тока 15-30 А обеспечивает значительный выигрыш в КПД.

Так как в современных блоках питания очень мощным становится и канал напряжения +12В, то применение диодов Шоттки в этом канале также дало бы значительный энергетический эффект, однако их применение в канале +12В нецелесообразно. Это связано с тем, что при обратном напряжении свыше 50В (а в канале +12В обратное напряжение может достигать величины и 60В) диоды Шоттки начинают плохо переключаться (слишком долго и при этом возникают значительные обратные токи утечки), что приводит к потере всех преимуществ их применения. Поэтому в канале +12В используются быстродействующие кремниевые импульсные диоды. Хотя промышленностью сейчас выпускаются диоды Шоттки и с большим обратным напряжением, но их использование в блоках питания считается нецелесообразным по разным причинам, в том числе и экономического плана. Но в любых правилах имеются исключения, поэтому в отдельных блоках питания можно встретить диодные сборки Шоттки и в каналах +12В.

В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки представляют собой, как правило, диодные сборки из двух диодов (диодные полумосты), что однозначно повышает технологичность и компактность блоков питания, а также улучшает условия охлаждения диодов. Использование отдельных диодов (рис.2), а не диодных сборок, является сейчас показателем низкокачественного блока питания.

Диодные сборки выпускается, в основном, в трех типах корпусов (рис.3):

1. - TO-220 (менее мощные сборки с рабочими токами до 20 А, иногда до 25-30А);

2. - TO-247 (более мощные сборки с рабочими токами 30 – 40 А);

3. - TO-3P (мощные сборки).

Электрическая схема и цоколевка диодной сборки Шоттки представлены на (рис.4).

Электрические характеристики диодных сборок, наиболее часто используемых в современных системных блоках питания представлены в табл.1.

Взаимозаменяемость диодных сборок определяется, исходя из их характеристик. Естественно, что при невозможности использовать диодную сборку с абсолютно такими же характеристиками, лучше проводить замену на прибор с большими значениями тока и напряжения. В противном случае гарантировать стабильную работу блока питания будет невозможно. Известны случаи, когда производители применяют в своих блоках питания диодные сборки со значительным запасом по мощности (хотя чаще приходится наблюдать ситуацию, как раз, обратную), и при ремонте можно установить прибор с меньшими значениями тока или напряжения. Однако при такой замене необходимо самым тщательным образом проанализировать характеристики блока питания и его нагрузки, и вся ответственность за последствия такой доработки, естественно, ложится на плечи специалиста, производящего ремонт.

Тип диодной сборкиХарактеристики диодных сборокVRRM, 

VVRMS, VVR,

VIO,

AIFSM, 

AVFM,

VIRM, 

mAdV/dt, V/мкcCJ,

pFTJmax, °CMBR2530CT302130301500.82/0.730.2/4010 000450+150MBR2535CT3524.53301500.82/0.730.2/4010 000450+150MBR2540CT402840301500.82/0.730.2/4010 000450+150MBR2545CT4531.545301500.65/0.751/5010 000450+150MBR2550CT5035

Лекция № 5

Биполярные транзисторы.

Общие сведения.

Биполярные транзисторы микросхем подразделяются на бескорпусные транзисторы (компоненты) гибридных микросхем и интегрированные в общей подложке транзисторы полупроводниковых микросхем. Полупроводниковые структуры бескорпусных транзисторов аналогичны структурам транзисторов того же назначения, заключенным в корпус. Структуры транзисторов полупроводниковых микросхем имеют су­щественные отличия. По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в микросхемах используют только кремниевые биполярные транзисторы. Наиболее широко применяют n-р-n транзисторы, так как вследствие подвижности электронов в базе они имеют лучшие электрические параметры — более высокие граничные частоты и быстродействие.

Биполярным транзистором (БТ) называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий_два взаимодействующих перехода. Название прибора введено в 1948 г., оно происходит от английских слов transfer (преобразователь) и resistor (сопротивление). Транзистор представляет собой кристалл полупроводника, содержащий три области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типов р-n-р и n-р-n. Принцип действия БТ различных типов одинаков. Транзисторы получили название биполярных, так как их работа обеспечивается носителями зарядов двух типов: основными и неосновными.

Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и называют эмиттером. Среднюю область называют базой, а другую крайнюю область коллектором. Два перехода БТ называются эмиттерный и коллекторным.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения со входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой; общим эмиттером и общим коллектором. Электрические параметры и характеристики БТ существенно различаются при разных схемах включения. На практике БТ широко используются в качестве усилительных приборов. В этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллекторному переходу, работающему в режиме экстракции,— обратное напряжение. Такой режим работы БТ называется активным.

Кроме рассмотренного выше, БТ может работать в следующих режимах: отсечки, когда оба перехода находятся под действием обратных напряжений; насыщения, когда оба перехода находятся под действием прямых напряжений; инверсном режиме, когда к эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение, а к коллекторному переходу — отпирающее. Последний режим часто встречается при работе БТ в качестве ключа разнополярных электрических сигналов.

Технологические типы БТ.

Исторически первыми широко распространившимися БТ явились сплавные транзисторы. Упрощенный вид структуры сплавного р-n-р транзистора показан на рисунке.

Здесь в полупроводниковую пластину с проводимостью n-типа с двух сторон вплавляли полупроводниковый материал с проводимостью p-типа. Процесс вплавления продолжался до тех пор, пока расстояние между образующимися (областями не становилось достаточно малым (50.. .60 мкм). Затем полупроводниковую пластину укрепляли на металлическом кристаллодержателе и помещали в герметический металлический корпус. Выводы эмиттера и коллектора пропускали сквозь стеклянные изоляторы, закрепленные в корпусе, вывод базы соединяли непосредственно с корпусом. Транзисторы имели малую максимально допустимую постоянную рассеиваемую мощность коллектора (P_{k max} <250 мВт), так как отвод тепла происходит вдоль тонкой полупроводниковой пластины базы, имеющей малую теплопроводность. Максимальная рабочая частота сплавных транзисторов не превышала 30 МГц.

Современные БТ изготавливаются по планарной технологии с использованием методов диффузии и эпитаксии. Упрощенный вид планарного БТ со структурой n-р-n, изготовленный методом трех диффузий, показан на рисунке. Здесь в полупроводниковую пластину с проводимостью р-типа при первой диффузии вводят донорную примесь на заданную глубину (например, порядка 20 мкм). Таким образом, создают коллекторную область БТ. При второй диффузии в полупроводниковую пластину вводят акцепторную примесь на меньшую глубину (15 мкм) и создают базовую область БТ. При последней, третьей диффузии вводят примеси с высокой концентрацией доноров, создавая эмиттерную область (n⁺-типа). Выводы БТ располагаются в одной плоскости, поэтому транзистор называется планарным. Это упрощает процесс изготовления и позволяет автоматизировать монтаж транзистора в корпус, а также снизить его стоимость. Локальное введение примесей в полупроводниковую пластину обеспечивается использованием специальных шаблонов и методов литографии.

Использование метода диффузии обеспечивает неравномерное распределение примесей в полупроводниковой пластине.

Существенной особенностью рассматриваемой структуры является неравномерное распределение примесей в области базы и возможность создания тонкой (порядка единиц микрометров) базовой области. Благодаря этому в базе создается ускоряющее поле и время движения неосновных носителей зарядов через базу к коллектору уменьшается, что позволяет создавать транзисторы, работающие на частотах до 1 ГГц и более. Транзисторы, имеющие ускоряющее поле в базовой области, получили название дрейфовых. Наряду с методом диффузии, на практике при изготовлении БТ широко используется метод создания полупроводниковых слоев путем эпитаксии. Суть этого метода заключается в последовательном выращивании на поверхности полупроводниковой и диэлектрической пластины слоев с заданным типом проводимости. При эпитаксии получают слои с равномерным распределением примеси.