3. Теоретичні відомості

1. Частина 1: Аналіз довідникових даних напівпровідникового елементу

При виконанні першої частини РГР, яка передбачає аналіз файлів з довідниковими даними на напівпровідниковий елемент, до виконаного завдання додається роздруківка початкового файлу (Data Sheet).

3.1.1.Огляд файлів з довідниковими даними. Довідникові дані на напівпровідникові прилади залежно від виробника можуть дещо відрізнятися за виглядом та стилем їх представлення, але загальна структура зберігається. Зовнішній вигляд сторінки з Data Sheet напівпровідникових елементів різних фірм виробників з поясненням основних структурних частин наведені в додатку 4.

Україномовний переклад електричних параметрів приладів доцільно представляти у формі таблиць, аналогічних наведеним в довідникових даних.

Аналіз виконується для тих характеристик і залежностей, які вказані в завданні до РГР (по кожному приладу викладачем здійснюється адаптація та деталізація завдання).

Аналіз особливостей побудови, функціонування приладу, сфер його застосування охоплює практично всі дані, наведені у файлах Data Sheet для приладу.

3.1.2. Розрахунок параметрів елементів за вольт-амперними характеристиками.

При розгляді та аналізі параметрів та характеристик приладу викладачем може бути поставлена задача розрахунку певних параметрів за наведеними вольт-амперними та іншими характеристиками. Далі наводяться основні формули, що використовуються при цьому.

Статичний опір приладу у відкритому або закритому стані визначається як відношення напруги до струму в фіксованій точці на вольт-амперній характеристиці: .

Розрахунок динамічного опору приладу починається з визначення за його ВАХ приростів напруги та відповідних приростів струму в околиці заданої точки (точка А на рис. 4 може бути задана шляхом вказування струму чи напруги в ній). Після цього знаходиться відношення даних приростів за формулою: .

Рис. 4. До визначення динамічного опору елементу

Однією з важливих характеристик напівпровідникових приладів є область безпечної роботи приладу (ОБР) – область значень струму та напруги, при комбінації яких прилад здатен тривало функціонувати без пошкодження і виходу з ладу (приклад для IGBT наведено на рис. 5). Форма даної області суттєво залежить від умов роботи приладу, зокрема від тривалості відкритого стану транзистора, як у наведеному на рис. 5 прикладі. Характеристика побудована для температури колектора Т_С=25⁰С, температури pn-переходів транзистора T_j=150⁰С та одиничного імпульсу, що подається на транзистор. Форма залежності визначається тривалістю імпульсу. Чим довше транзистор знаходиться у відкритому стані, тим менші струми він здатен пропускати при тих же значеннях напруги.

В процесі аналізу області безпечної роботи необхідно вказати від яких параметрів залежить її форма і як саме.

Рис. 5. Область безпечної роботи транзистора в координатах залежності струму колектора ІС від напруги колектор-емітер VCE

Далі окремо розглядаються основні напівпровідникові прилади, такі як біполярні та польові транзистори, IGBT.

3.1.3. Параметри та характеристики біполярного транзистора

При визначенні параметрів біполярних транзисторів необхідно враховувати, що на його вихідних вольт-амперних характеристиках традиційно виділяють три області, які відповідають основним режимам роботи приладу (рис.6):

• область відсічки 1, яка відповідає закритому стану транзистора;

• область активної роботи 2, яка відповідає режиму підсилення;

• область насичення 3, яка відповідає повністю відкритому стану приладу.

Рис. 6. Вихідні характеристики біполярного транзистора

При розгляді характеристик реальних приладів необхідно враховувати, що область відсічки знаходиться нижче характеристики, знятої для струму бази І_Б=0.

Робота біполярного транзистора розглядається найчастіше в динамічному режимі – тобто коли на вході схеми діє певне джерело сигналу, а на виході увімкнено навантаження (рис. 7). В такому режимі транзистор використовується як підсилювальний елемент.

Рис. 7. Динамічний режим роботи транзистора у схемі зі спільним емітером

Навантаження по постійному струму та по змінному вмикаються у колекторне коло. Для відокремлення постійної та змінної складової вихідного сигналу, навантаження розділяються конденсатором С, який затримує постійну складову. На вхід схеми від зовнішнього генератора подається змінна напруга . Два джерела живлення Е_Б та Е_К використовуються в наведеній схемі для задавання положення робочої точки у вхідному та вихідному колах транзистора відповідно.

При розрахунках параметрів елементів схеми розглядаються процеси по постійному струму, тобто використовуються фіксовані значення струмів та напруг без врахування їх зміни у часі. Вихідна напруга транзистора залежить від напруги зовнішнього джерела живлення та напруги на навантаженні наступним чином:

, (1)

де – струм навантаження на постійному струмі.

Струм колектора з рівняння (1) визначається як:

. (2)

Співвідношення (2) є рівнянням навантажувальної характеристики - прямої, яка будується на вихідних характеристиках схеми і проходить через дві точки з наступними координатами (рис. 8):

1. точка на осі струмів з ;

2. точка на осі напруг з .

Сукупність точок перетину статичних характеристик транзистора із навантажувальною прямою (ділянка АВ рис. 8) називається динамічною характеристикою транзистора.

Для визначення положення робочої точки на вхідних характеристиках враховується початкове значення напруги між базою та емітером транзистора , яке у схемі на рис. 7 задається спеціальним джерелом живлення , а в інших схемах – загальним джерелом живлення та вхідним резистивним дільником. Графоаналітичним методом, шляхом проекції точки на характеристику знаходиться відповідний струм бази (рис. 8,а). Цей струм, в свою чергу, буде визначати положення робочої точки на вихідних характеристиках, яке визначається як точка перетину Р навантажувальної прямої з характеристикою, що відповідає струму (рис. 8,б). Проекцією даної точки на вісь напруг та струмів визначаються її параметри за вихідними характеристиками транзистора: напруга між колектором та емітером і струм колектора (див. рис. 8,б). Знайдене положення робочої точки Р транзистора характеризує його робочий режим по постійному струму.

а) б)

Рис. 8. До побудови навантажувальної характеристик, динамічної характеристики та визначення положення робочої точки транзистора

Одним з режимів роботи транзисторної схеми є режим лінійного підсилення, який має місце в режимі малих сигналів вхідної напруги. В цьому режимі транзистор працює в активній області вихідних характеристик і робоча точка Р розташовується приблизно посередині відрізок АВ динамічної характеристики (рис. 8,б). Для забезпечення роботи транзистора у режимі лінійного підсилення при зміні струму та напруги необхідно, щоб робоча точка не виходила за межі відрізку АВ. При цьому зміна вхідного (базового) струму викликає пропорційну зміну вихідного (колекторного) струму.

Знаючи струми та напруги транзистора здійснюється розрахунок таких його параметрів як опір, h-коефіцієнти схеми заміщення (рис. 9), а також параметри резистивних дільників і ємностей в схемах.

Схеми заміщення транзистора використовуються при розрахунку режимів роботи по постійному та змінному струму. Оскільки в довідникових даних на прилад найчастіше наводяться саме h-параметри (h-коефіцієнти), розглянемо далі саме цю схему заміщення (рис. 9). Зв’язок між вхідними та вихідними параметрами активного чотириполюсника (рис. 9) виражає система з двох рівнянь (3):

, (3)

де (i=1,2; j=1,2) – h-параметри транзистора:

• вхідний опір транзистора ,

• коефіцієнт підсилення за струмом ,

• коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою ,

• вихідна провідність транзистора .

Рис. 9. Представлення транзистора у вигляді лінійного чотириполюсника

Для випадку вмикання транзистора за схемою зі спільним емітером (рис.9) h-коефіцієнти чотириполюсника розраховуються наступним чином:

При розрахунку h-параметрів за вольт-амперними характеристиками транзистора, спершу записуються формули для конкретної схеми вмикання приладу, далі графічно знаходяться відповідні зміни струмів на напруг, після чого за формулами розраховують параметри.

3.1.4. Параметри та характеристики польових транзисторів та IGBT

При дослідженні польових транзисторів розглядаються зокрема їх стокові та стоково-затворні характеристики, причому стоково-затворні характеристики (рис. 10,б) можуть бути побудовані за стоковими характеристиками (рис. 10,а). Залежність струму стоку від зворотної напруги між затвором та витоком (рис. 10,б) будуються наступним чином. Для фіксованого значення напруги між стоком та витоком (на рис. 10,а обрано напругу 10В) графічним способом визначаються значення струму стоку при різних значеннях напруги . Отримані значення струму переносяться на вісь струму стоково-затворної характеристики (на рис. 10 перенесення точок показано пунктиром). Далі, визначаються положення точок характеристики залежно від значень напруги затвор-витік, що вказані над стоковими характеристиками і відкладаються на осі напруг стоково-затворної характеристики. За отриманою множиною точок будується залежність.

Для біполярних транзисторів з ізольованим затвором однією з характеристик є перехідна (передавальна) – залежність струму колектора від напруги затвор-емітер (рис. 11). Вона може бути побудована за вихідними характеристиками IGBT аналогічно до побудови стоково-затворних характеристик.

а) б)

Рис. 10. Стокові (а) та стоково-затворна (б) характеристики польового транзистора КП601(А,Б)

Рис.11. Перехідна характеристика IGBT