Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Варикапы— это полупроводниковые приборы, в которых используется барьерная емкость p-n перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и уменьшается с его увеличением. Условное обозначение варикапа и его вольт-фарадная характеристика, определяющая изменение емкости варикапа, приведены на рисунках 2.51, а, б. Как видно, варикап работает в области обратной проводимости p-n перехода.

Теоретическое значение емкости варикапа находится из выражения

где С0 — начальная емкость варикапа при Uв = 0; Uв = Uобр — напряжение на варикапе; yк — контактная разность потенциалов.

Cв

+ VD –

Uобр

Рисунок 2.51 — Условное обозначение (а) варикапа и его вольт-фарадная характеристика (б)

Основные параметры варикапа: начальная емкостьС0, добротность QС и коэффициент перекрытия по емкости KС. Они определяются следующими уравнениями:

где Q — реактивная мощность варикапа; Р — активная мощность, рассеиваемая варикапом; Сmax и Сmin — максимальная и минимальная емкости, которые обеспечиваются варикапом в заданных пределах изменения напряжения Uв.

81

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Одна из наиболее типичных схем применения варикапа в резонансном колебательном LC контуре для изменения его резонансной частоты путем изменения напряжения Uв приведена на рисунке 2.52.

Рисунок 2.52 — Схема управления резонансной частотой колебательного контура при помощи варикапа

Здесь потенциометром Rрег регулируется резонансная частота f колебательного контура LCVD за счет изменения напряжения, подаваемого на варикап VD, где CVD — емкость варикапа. Блокирующий конденсатор Сбл предназначен для исключения шунтирования постоянной составляющей напряжения на варикапе индуктивностью L контура, при этом должно выполняться обязательное неравенство Сбл >>СVD. Резистор Rбл обеспечивает исключение влияния переменного сопротивления потенциометра Rрег и внутреннего сопротивления источника питания Еп на добротность контура, для чего необходимо, чтобы между этими сопротивлениями выполнялись также обязательные соотношения: R << Rбл и Rбл >> Rое, где R — результирующее сопротивление параллельно включенных потенциометра Rрег и внутреннего сопротивления источника Еп; Rое — эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте.

Варикапы нашли широкое применение в современной прием- но-усилительной радиоаппаратуре благодаря тому, что относительно крупногабаритные конденсаторы переменной емкости заменяются на полупроводниковые элементы, которые можно реализовать в микроминиатюрном виде. Одновременно с этим варикапы используются и в промышленных устройствах и системах, где требуются устройства с изменяемой по определенным законам переменной частотой

Датчики Холла применяются для измерения магнитной индукции, величин электрического тока, а также для измерения механических напряжений в деталях машин. Схема включения датчика и его упрощенное пространственное расположение в осяхXYZ приведены на рисунке 2.53.

82

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

BZ

Полупроводник p-типа

EY

EX

BZ RX

Рисунок 2.53 — Структура датчика Холла и схема его включения

Показанное устройство содержит собственно датчик Холла, состоящий из кремниевого или германиевого полупроводникового кристалла, обычно р-типа проводимости. Носители заряда в полупроводнике, созданные электрическим током IX и движущиеся перпендикулярно к магнитному полю с величиной индукцииBZ под действием силы Лоренца, будут отклоняться от первоначального направления своего движения, когда BZ = 0.

Это отклонение вызывает появление холловского напряжения, снимаемого с выводов UY. Полярность его меняется при изменении направления электрического тока IX или магнитной индукции BZ. При достаточно малых величинах магнитной индукции BZ величина холловского напряжения определяется выражением

где RH — коэффициент Холла; d — толщина кристалла в направлении оси Z.

Очевидно, что в соответствии с этим выражением графическая зависимость UY = f(BZ) может быть проиллюстрирована рисунком 2.54. Он показывает линейное увеличение напряжения UY при возрастании величины магнитной индукции BZ, что создает благоприятные условия получения достаточной точности измерений при использовании датчика Холла в качестве измерительной системы.

83

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

UY

BZ

Рисунок 2.54 — Зависимость выходного напряжения датчика Холла от величины магнитной индукции

Область применения датчиков Холла распространяется не только на измерение индукции магнитного поля. Для заданной конструкции магнитной системы и при ее конкретных магнитных параметрах, определяемых коэффициентом kсист, имеется связь между величинами BZ и током Iизм, ее создающим:

Таким образом, при применении датчиков Холла появляется возможность измерения тока Iизм, что и используется в устройствах силовой электроники. Практически верхняя граница диапазона измеряемых при помощи датчиков Холла токов лежит в пределах со- тен-тысяч ампер и более. В этом заключается основная область применения этих датчиков — устройства и системы электроснабжения, так как при этом появляется возможность отказаться от использования мощных трансформаторов тока, обладающих большой материалоемкостью и стоимостью.

Магнитодиоды обладают бóльшей, по отношению к датчикам Холла, чувствительностью к изменениям индукции или напряженности магнитного поля, то есть увеличенным выходным напряжением при меньших значениях регистрируемых параметров. Это потенциально повышает точность измерения магнитной индукции B или тока Iизм и дает возможность использовать более простые и дешевые контрольно-измерительные приборы.

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника. Действие магнитодиода основано на том принципе, что под воздействием маг-

84

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

нитной индукции В подвижность носителей заряда в области базы уменьшается. Это вызывает увеличение ее сопротивления, что может быть зарегистрировано соответствующей электрической схемой.

Отечественной промышленностью выпускается ряд магнитодиодов, чувствительность которых лежит в пределах от 10 –9 до 10–2 А/м. Существующие магнитодиоды способны определять не только напряженность (индукцию) магнитного поля, но и его направление. Схема включения магнитодиода и его вольтамперная характеристика приведены на рисунке 2.55,а и б соответственно, где величины магнитной индукции, воздействующей на p-n переход, соотносятся, как В1 < В2.

а) б)

Рисунок 2.55 — Схема включения (а) и ВАХ (б) магнитодиода

Недостатком магнитодиодов является существенная зависимость его точностных характеристик от температуры, что свойственно практически всем полупроводниковым диодам с p-n переходом.

Лазеры применяются для измерения геометрических форм и размеров датчиков перемещения и в устройствах распознавания образов. Известно широкое применение лазеров в медицине, технике связи, промышленности и др. В настоящее время в подобных функциональных устройствах наиболее широко используются специальные лазерные диоды (ЛД). Современные ЛД обладают сравнительно высоким КПД, достигающим hmax = 40–60 %, а их рабочие токи IЛД составляют от единиц до десятков ампер. Прямое падение напряжения на них, в зависимости от типа ЛД, составляет UЛД = 1,8–2,5 В. Полупроводниковый материал, из которого изготавливаются существующие лазерные диоды, это гетерополупроводник: арсенид галлия — алюминий AlGaAs. Наиболее важным отличием ЛД от обычных светодиодов является высокая степень когерентности излучения. В частности, изменение длины волны излучения для ЛД составляет lЛД = ±(0,001–0,002) нм, для обычных же светодиодов этот диапазон равен lсв = ±(11–15) нм.

85

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Существуют два режима работы ЛД: непрерывный и импульсный. Импульсный режим, заключающийся в том, что на ЛД поступают импульсы тока, а не непрерывный постоянный ток, позволяет существенно увеличить оптическую мощность излучения ЛД.

ЛД являются приближенными аналогами обычных, рассмотренных выше светодиодов. К последним из них можно отнести, например, известные лазерные фонарики, у которых узконаправленная диаграмма светового излучения формируется простейшей оптической системой — линзой, а излучателем является обычный светодиод. Однако КПД и их оптическая мощность невелики. Обладающие существенно лучшими параметрами лазерные диоды имеют определенную специфику применения. Эта специфика выражается в следующем:

—ярко выраженный пороговый характер статической ВАХ;

—низкая перегрузочная способность в непрерывном и в импульсном режимах работы;

—относительно низкая предельно допустимая рабочая температура кристалла ЛД;

—уменьшение выходной оптической мощности и дрейф спектра излучения при увеличении температуры кристалла ЛД.

Это заставляет применять для электропитания ЛД довольно сложные устройства управления и электропитания. Функциональная схема одного из драйверов, предназначенного для создания непрерывного режима работы, приведена на рисунке 2.56.

Вдрайвер входит стабилизатор постоянного напряжения СН

собратной связью (ОС) по напряжению, в качестве которого применяется импульсный стабилизатор понижающего или повышающего вида, так как он обладает более высоким КПД. Стабилизатор

обеспечивает согласование напряжения питания Еп с рабочим напряжением ЛД.

Стабилизатор тока СТ выполняет функции стабилизации тока

Iвых, протекающего через ЛД и его регулирование. Сигнал управления Uупр включает и выключает устройство и регулирует требуемые параметры излучения. На другой управляющий вход ОС стабилизатора тока подается сигнал, пропорциональный оптической

мощности излучения ЛД. Выходной сигнал IЛД служит для контроля величины тока и изменение тока через ЛД сопровождается соот-

ветствующим изменением напряжения на этом выходе. На вход UТ стабилизатора тока поступает сигнал от датчика температуры кристалла ЛД. При достижении на входе UТ заданного уровня напряже-

86

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

ния драйвер выключает ток Iвых и устанавливает на выходе Uконтр логическую единицу, информируя тем самым пользователя о перегреве ЛД и необходимости принятия соответствующих мер. После остывания кристалла ЛД драйвер автоматически возобновляет работу.

Импульсный режим работы ЛД реализуется аналогичным способом. В этом случае непрерывный стабилизатор тока (СТ) выполняется в виде генератора импульсов, временные и амплитудные параметры которого должны соответствовать режимам, задаваемым соответствующими справочным данным и техническим условиям. Импульсный режим работы более эффективен с точки зрения увеличения оптической мощности излучения и стабильности спектральной характеристики.

IGBT-транзисторы (Isolated-Gate Bipolar Transistor) по струк-

туре являются более сложными полупроводниковыми приборами и включают в себя как биполярный, так и МОП-транзистор. Поэтому в отечественной литературе они называются биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ), а их входное сопротивление, как и у МОП-транзистора, велико.

Аббревиатуры БТИЗ и IGBT идентичны, они различаются лишь привычками использования авторами материала в тех или иных на- учно-технических публикациях.

87

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Условное обозначения IGBT-транзистора и его внутренняя полупроводниковая структура приведены на рисунках 2.57, а, б соответственно. По аналогии со структурой биполярными транзисторами существует IGBT-транзистор двух типов проводимости.

Рисунок 2.57 — Условное обозначение (а) и внутренняя структура (б) IGB-транзистора

Для них в условных обозначениях меняются полярности напряжений коллектор-эмиттер Uкэ и затвор-эмиттерUзэ, а также направления тока коллектора Iк. Поэтому IGBT-транзистор, изображенный на рисунке 2.57, по существу является аналогом биполярного транзистора с проводимостью типа n-p-n.

Появление и дальнейшее широкое внедрение IGBT-транзисторов определено следующими недостатками биполярных транзисторов.

1.Токовое управление биполярного транзистора, что снижает энергетическую эффективность применения мощных транзисторов

вимпульсных преобразователях электрической энергии. Возможности использования специальных схемотехнических мер по устранению этого недостатка приводят к усложнению устройства управления и увеличению стоимости.

2.Наличие инерционности насыщенного биполярного транзистора в режиме переключения, что ограничивает возможности повышения частоты преобразования устройств силовой электроники. Применение специальных мер по уменьшению времени рассасывания не позволяет радикально устранить этот недостаток.

3.Недостаточно высокая надежность работы биполярного транзистора при больших переключаемых токах и высоких питающих напряжениях. Это обусловливает необходимость выполнения не всегда практически реализуемых нормированных значений области безопасной работы. В итоге в номенклатуре выпускаемых полупроводниковых приборов отсутствуют биполярные транзисторы на большие токи коллектора (десятки-сотни ампер) и высокие напряжения (сотни-тысячи вольт).

88

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

4.Существенная зависимость параметров биполярного транзистора от температуры, что уменьшает области их применения в мощных силовых устройствах преобразования электрической энергии.

С появлением МОП-транзисторов ситуация с использованием транзисторов в мощных устройствах преобразования электрической энергии изменилась. В отличие от биполярных транзисторов эти полупроводниковые приборы обладали рядом следующих преимуществ.

1.Большое входное сопротивление МОП-транзистора позволило не только радикально уменьшить мощность на его управление, но и дало возможность использования в качестве управляющих устройств интегральные драйверы. Это привело к появлению интеллектуальных силовых модулей, управляемых стандартными логическими сигналами.

2.Параметры МОП-транзисторов в существенно меньшей степени зависят от температуры — появляются возможности увеличения площади кристалла полупроводникового прибора и, что обусловливает появление МОП-транзисторов на намного большие́ , чем

убиполярных, токи стока.

3.Падение напряжения «сток-исток» в открытом состоянии

уМОП-транзисторов (сопротивление канала полупроводника) существенно меньше, чем у биполярных, что снижает потери мощности в статическом режиме работы. Сопротивление проводящего канала может составлять доли-единицы миллиом. Кроме того, это свойство позволяет использовать их при меньших питающих напряжениях или применять МОП-транзисторы в синхронных выпрямителях вместо традиционных энергетически неэффективных диодов.

4.Предельно допустимые нормы обеспечения надежной работы МОП-транзисторов в импульсном режиме гораздо выше, чем у биполярных, что обеспечивает их надежную работу в мощных силовых преобразователях электрической энергии.

5.Возможность повышения частоты импульсного преобразования электрической энергии в силовых устройствах с применением МОП-транзисторов может достигать сотен килогерц, что улучшает их технико-экономические характеристики.

В IGBT-транзисторах устранены недостатки обоих типов рассмотренных полупроводниковых приборов и сохранены их преимущества. В сравнительном плане это выглядит следующим образом.

1.Сохранено большое входное сопротивление — от МОПтранзисторов.

89

2.Дискретные полупроводниковые элементы электроники

2.Относительно малое сопротивление в открытом состоянии — от биполярных и МОП-транзисторов.

3.Отсутствие времени рассасывания избыточных зарядов — от МОП-транзисторов.

4.Большее быстродействие — от биполярных транзисторов.

5.Большие импульсные перегрузки в режиме переключения — от МОП-транзисторов.

Полная эквивалентная схема IGBT-транзистора с указанием паразитных параметров приведена на рисунке 2.58. Кроме внутреннего сопротивления, эта схема, в отличие от упрощенной (рисунок 2.57, б), содержит паразитный n-p-n транзистор VT3 и паразитные

межэлектродные емкости Скз, Скэ и Сзэ.

Запирание паразитного транзистора VT3 происходит в момент проводящего состояния IGBT-транзистора, когда достигается критическая плотность тока, которая уменьшается с ростом температуры кристалла, а также в выключенном состоянии при динамическом запирании транзистора из-за увеличения дырочного тока по сравнению с открытым состоянием.

Рисунок 2.58 — Эквивалентная схема IGBT-транзистора

Основное сопротивление «база-эмиттер» p-n-p транзистора VT2 уменьшается посредством использования соответствующих технологических процессов при изготовлении полупроводниковых слоев кристалла IGBT-транзистора.

90