2.4. Электронные устройства и приборы в системах тГиВ

2.4.1. Общие сведения

Электроника – это отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме и газе. Такими приборами являются полупроводниковые приборы (протекание тока в твердом теле), электронные приборы (протекание тока в вакууме) и ионные (протекание тока в газе). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы.

Электронная техника непрерывно развивается. Органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин стали микропроцессорные системы.

2.4.2. Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые резисторы. Составляют большой класс полупроводниковых приборов, выполненных на основе равномерно легированных материалов с двумя выводами, в которых используется зависимость электрического сопротивления от напряжения, температуры, силы света и других факторов. На рис. 2.28 показаны условные обозначения типичных резисторов и их характеристики [11]

У линейных резисторов (рис. 2.28а), выполненных на основе слаболегированного кремния или арсенида галлия, сопротивление практически постоянно в широком диапазоне изменения напряжений и слабо зависит от условий внешней среды.

В варисторах используется, наоборот, нелинейная симметричная вольт-амперная зависимость (рис. 2.28б). Такую характеристику удается получить у резисторов, изготовленных, например, из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Варисторы применяют для защиты от перенапряжений, искрогашения, стабилизации напряжения и т.д.

Рис. 2.28. Условные обозначения и характеристики полупроводниковых резисторов:а– линейный резистор;б– варистор;в – терморезистор;г – тензорезистор

В терморезисторах (рис. 2.28в) можно получить значительное изменение сопротивления при изменении температуры. Терморезисторы, которые имеют отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления , называют термисторами (характеристика 1 на рис. 2.28в). Терморезисторы с большими положительными значениями называют позисторами.

Терморезисторы применяют для измерения, контроля и регулирования температуры, тепловой защиты электродвигателей, противопожарной сигнализации, контроля различных свойств окружающей среды, влияющих на теплоотдачу (уровень жидкости и сыпучих материалов, давление, скорость течения жидкостей и газов), и т.д.

В полупроводниковых приборах, называемых тензорезисторами, используется зависимость сопротивления полупроводниковой пластины от деформации (рис. 2.28г). Тензорезисторы широко применяются в измерительных схемах датчиков давления, расхода, уровня и в схемах для измерения и контроля деформации различных строительных деталей и конструкций.

Полупроводниковые диоды. Являются следующим большим классом полупроводниковых элементов с двумя выводами, содержащих в монокристалле один электронно-дырочный p-n – переход (рис. 2.29а). Электронно-дырочный p-n – переход характеризуется запирающим слоем, обладающим электрическим сопротивлением. А так как запирающий слой образуется положительными и отрицательными ионами, жестко связанными с кристаллической решеткой, то между разноименными заряженными слоями возникает разность потенциалов Е_зап, препятствующая переходу электронов в p- зону, а дырок в n - зону.

Рис. 2.29. Структура (а), схемы включения (б, в), характеристики полупроводниковых диодов и их условные обозначения: г – выпрямительный диод; д – стабилитрон; е – варикап

Одним из свойств p-n – перехода является вентильный эффект, который заключается в том, что если к кристаллу с p-n – переходом приложить внешнее напряжение с полярностью (рис. 2.29б), то под действием Е_вн величиной 0,1-0,3 В толщина, а, следовательно, и сопротивление p-n – перехода будет снижаться, и через него будет проходить большой ток . Это направление тока называется прямым. Если изменить полярность источника питания, то получим внешнее поле одного направления с полемp-n – перехода Е_зап, которое усиливает его (рис. 2.29в). Это приведет к расширению запирающего слоя и тем самым к увеличению сопротивления p-n – перехода, через который будет проходить небольшой обратный ток . На этом свойстве (односто-

ронней проводимости) основаны выпрямительные диоды.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного силового диода (вентиля) и его условное графическое и буквенное обозначение представлена на рис. 2.29г.

Работа диода в большой степени зависит от величины обратного напряжения , которое должно быть меньше, указываемого в паспорте диода.

Для уменьшения нагрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т.д.

Обозначения некоторых типов выпрямительных диодов:

– средней мощности: КД203Д – диод кремниевый сплавной; = 10 А;= 1,5 мА;= 1000 В;

– большой мощности: В-320 – диод кремниевый сплавной; =320 А;=20 мкА;= 1400 В.

Полупроводниковые диоды с резким нарастанием обратного тока при нормированном значении обратного напряжения (рис. 2.29д) называют стабилитронами, которые используются для стабилизации напряжения. Чаще всего материалом стабилитрона служит кремний. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое и буквенное обозначение показано на рис. 2.29д. Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя. Стабилитроны допускают последовательное включение, тогда . Параллельное соединение стабилитронов недопустимо. Конструктивное оформление стабилитронов аналогично выпрямительным диодам.

Обозначения некоторых типов стабилитронов:

– КС433А - стабилитрон низковольтный;= 3,3 В;= 191 мА;

– КС680А – стабилитрон высоковольтный;= 180 В;= 28 мА.

Полупроводниковые диоды, в которых используется регулируемая емкость p-n – перехода, называют варикапами. Их можно рассматривать как конденсаторы с электрически управляемой емкостью [11]. Зависимость варикапа и его условное графическое и буквенное обозначение представлено на рис 2.29е.

Обозначения некоторых типов варикапов:

– КВ102В – варикап кремниевый сплавной; С = 40 пФ; = 45 В;

– КВ105А – варикап кремниевый диффузионно-сплавной; С = 600 пФ; = 90 В.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в электронных узлах настройки колебательных контуров усилителей.

Управляемые полупроводниковые трехэлектродные приборы. К ним относятся наиболее распространенные приборы данного класса элементной базы современной промышленной электроники – это транзисторы и тиристоры. Особенностью этих элементов является возможность управления с помощью небольшой мощности во входной цепи значительно большей мощностью в выходной цепи.

Биполярные транзисторы. Это полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n – переходами, предназначенными для генерации, усиления и преобразования сигналов электромагнитной природы. Термин «биполярный» означает, что физические процессы в приборе обусловлены движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).

Таким образом, транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами (рис. 2.30). Один из крайних слоев называется эмиттером, а другой – коллектором; средний слой – база; р-n – переход между эмиттером и базой, называемый эмиттерный, работает на прямом токе; р-n – переход между коллектором и базой, называемый коллекторный, он работает на обратном токе. Буквы у выводов транзистора обозначают: Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база электронную проводимость, называют транзистор типа (структуры) p–n–p (рис. 2.30а, б). Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электронную проводимость, а база дырочную проводимость, называют транзистор типа (структуры) n-p-n (рис. 2.30в)

Рис. 2.30. Биполярный транзистор: а – условное обозначение; б – структура; б, в – схемы включения; г – входная характеристика; д – выходные характеристики

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора типа р-n-p (рис. 2.30б), работающего на постоянном токе. Под действием положительного заряда источника дырки изр – зоны эмиттера инжектируются в область базы, образуя эмиттерный ток . В базе небольшая часть их рекомбинирует с электронами, а бóльшая часть достигает области р коллектора. Поле коллекторного перехода для этих дырок является ускоряющим. В цепи коллектора будет проходить ток коллектора . Поскольку транзистор изготовляют так, чтобы обеспечить, возможно, меньшее значение тока базы, то ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера: =.

Таким образом, изменением тока в маломощной цепи эмиттера можно управлять токомв цепи большой мощности коллектора, так как. Следовательно, транзистор обладает усилительными свойствами. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой =0,95-0,99.

Наибольшее применение в усилительных каскадах находит схема с общим эмиттером (рис. 2.30в). В данной схеме входным током является ток базы , выходным током – ток . Тогда коэффициент усиления по току

.

Для современных транзисторов = 10-200.

Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. К ним относятся входные характеристики (рис. 2.30г) и выходные характеристики (рис. 2.30д). Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем.

Некоторые типы транзисторов:

– малой мощности КТ203Б; = 20-30;Р_{к макс} = 0,15 Вт;

– средней мощности КТ604А; = 10-40;Р_{к макс} = 0,8 Вт;

– большой мощности КТ903Б; = 40-180;Р_{к макс} = 30 Вт.

Полевые транзисторы. Полевым называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинает движение носителей заряда, называется истоком (И) (рис. 2.31), а электрод, к которому они движутся – стоком (С). Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором (З).

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющимp-n–переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисто-ры). По типу электропроводности они подразделяются на транзисторы с каналами р и n – типов (рис. 2.31).

Транзистор с управляющимp-n – переходом. Представляет собой пластину полупроводника р или n типа, на гранях которой созданы области противоположного типа электропроводности, на границах между которыми образованы p-n – переходы. На торцевых сторонах пластины и на боковых областях формируют омические контакты. Контакты областей затвора (З) соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком С и истоком И будет протекать ток. Сопротивление канала, а, следовательно, и ток, проходящий через канал зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимальный, называется напряжением отсечки . Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стокаС будет изменяться по тому же закону.

Зависимость между током I_C и напряжением U_C выходной цепи при напряжении на затворе U_З = 0 показана на рис. 2.32. Сначала характеристика имеет, близкий к линейному участок, затем линейная зависимость нарушается и в точке Н наступает режим насыщения. Для каждого напряжения U_З имеется своя точка насыщения, например, Н₁ – Н₃, чем характеризуется своеобразное сужение токопроводящей части канала.

а

б

Рис. 2.31. Полевые транзисторы р – типа (а) и n – типа (б)

и их условные графические и буквенные обозначения

Рис. 2.32. Семейство выходных вольт-амперных характеристик

полевого транзистора с n-p – переходом

Так как зоны затвора работают в режиме обратного напряжения, то входное сопротивление их велико, а входная мощность мала, что является ценным качеством полевых транзисторов.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы этого типа называют также МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (метал-окисел-полупроводник), если в качестве диэлектрика используют окисел, например, SiO₂. Металлический электрод – затвор, обычно, наносят распылением в вакууме.

МОП-транзисторы могут быть с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы или тиристоры, они обладают следующими преимуществами:

1. Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении;

2. Малая мощность, затрачиваемая на переключение;

3. Возможность использования хорошо отработанных технологий производства МОП-интегральных схем.

Главные области применения мощных МОП-транзисторов –

электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнологических установок, источники вторичного электропитания. В таких устройствах используются преимущественно МОП-транзисторы с индуцированным каналом.

МОП-транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 2.33а. На рис. 2.33б приведено его условное графическое обозначение.

Подложкой служит кристалл кремния р-типа. У МОП-тран-зисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0,002–0,05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния n-типа. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+.

а б

Рис. 2.33. Структура транзистора с индуцируемым каналом

n-типа (а) и его условное графическое и буквенное обозна- чение (б)

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 2.34), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из

приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным.

Рис. 2.34.

С увеличением положительного напряжения затвор-исток U_зи растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость. Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения U_зи, так и от напряжения сток-исток U_си . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают U₀ . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 – 4 В.

Силовые МОП-транзисторы. Необходимость разработки таких приборов мотивировалась тем, что мощные биполярные транзисторы требуют больших управляющих токов, а также имеют ограниченное быстродействие.

Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру (рис. 2.35). Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов. Прибор содержит слаболегированную n ^– - область, обеспечивающую высокое напряжение между стоком и истоком. Если напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение U_О, под слоем диэлектрика в p-областях возникает горизонтальный проводящий канал. Его длина равна L (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Силовой МОП-транзистор

Поток электронов через образовавшийся канал и n ^- - слой попадает в область стока. Направление потока электронов показано на рис. 2.35 пунктиром. Длина канала L в МОП-транзисторе такой конструкции составляет 1-2 мкм. В то же время напряжение пробоя между стоком и истоком может достигать сотен вольт, а ток истока – десятков ампер. Это объясняется тем, что область объемного заряда расположена главным образом в слаболегированной области стока и не влияет на канал. Максимальное напряжение сток-исток зависит от степени легирования n ^– - слоя и его толщины.

Структура мощных МОП-транзисторов существенно отличается от структуры малосигнальных транзисторов. В то же время характеристики приборов похожи. Пороговое напряжение мощных МОП-транзисторов составляет от 2 до 4 В.

Мощные МОП-транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме. Поэтому для них важнейшими параметрами является сопротивление канала в открытом состоянии, а также время включения и выключения. В низковольтных вертикальных МОП-транзисторах толщина n-слоя невелика, и основную долю сопротивления канала составляет сильно легированный только

n+-слой. В транзисторах с номинальным напряжением сток-исток более 100 В основной вклад в сопротивление канала вносит n ^– - слой.

Преимущество мощных МОП-транзисторов перед биполярными заключается в высокой скорости переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и малой мощности, затрачиваемой на управление. Мощные МОП-транзисторы нашли применение как управляющая составная часть в биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT-транзисторах).

Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 2.36 приведена структура, условное обозначение и эквивалентная схема IGBT-транзистора. IGBT-транзистор можно рассматривать как сочетание мощного биполярного транзистора и управляющего МОП-транзистора. Структура IGBT показана на рис. 2.36а. Она похожа на структуру вертикального МОП-транзистора. Отличие заключается в том, что область коллектора является сильно легированной областью p+ - типа. Добавление p - слоя приводит к образованию биполярного p-n-p-транзистора.

Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2.36в. Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления – выводом З (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.

а б в

Рис. 2.36. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор): а– структура;б– условное графическое и буквенное обозначение;в– эквивалентная схема

В настоящее время IGBT – транзисторы выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание.

В настоящее время производство силовых IGBT-модулей освоено рядом российских предприятий электронной промышленности (АО "Электровыпрямитель", НПК "ИСЭ" и другие). Основными элементами в модулях являются IGBT-чипы, изготовленные по NPT (Non punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du/dt стойкостью, практически прямоугольной областью безопасной работы, что обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются, составленные из нескольких транзисторов, модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT- транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности и др.

Тиристоры. Тиристором называют полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой p - n - p - n, имеющий два устойчивых электрических состояния – закрытое и открытое. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод) и триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Тиристоры, выключение которых по цепи управления невозможно, получили название однооперационных, т.е. неполностью управляемых. Они нашли широкое применение в управляемых выпрямителях переменного тока в постоянный ток.

Одновременно с созданием тиристора начались исследования на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn OFF (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. В середине 90-х годов фирмами “АВВ” и “Mitsubishi” был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutate Thyristor (GCT).

В России производство тиристоров GCT и GTO освоено на предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). В настоящее время фирмой “ABB” производятся запираемые тиристоры с интегрированным блоком управления (драйвером) (IGCT) с параметрами по напряжению до 6000 В, а по току до 4000 А, при частоте переключения от 500 Гц до 2 кГц, областью применения которых являются мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока) и высоковольтный электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения).

Таким образом, тиристор в электрических цепях является аналогом бесконтактного выключателя.

Структура, условное графическое и буквенное обозначение и вольт - амперная характеристика тиристора показаны на рис. 2.37.

Тиристор имеет три p - n – перехода П1, П2, П3 и три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ (рис. 2.37а).

Питающее напряжение подается на тиристор таким образом, что переходыП1 и П3 открыты, а переход П2 закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение (рис. 2.37а) приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

Если ток в цепи управления отсутствует, то при повышении напряженияток тиристора (линия ОА на рис. 2.37в) увеличивается незначительно, пока напряжение не превышает напряжение переключенияU_пер (точка А). При >U_пер тиристор включается, и анодный ток практически ограничивается значением сопротивления нагрузки R_н (см. рис. 2.39а). С увеличением тока управления включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения. После включения тиристора его электрическое состояние характеризуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Тиристор выключается, если анодный ток становится меньше тока удержания I_уд (точка В). При некотором значении тока управления прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) тиристора становится аналогичной ВАХ неуправляемого диода (участок ОБС), т.е. “спрямляется”; этот ток называют током управления спрямления I_{у спр}. Для тиристоров также как и для диодов указывают параметры обратной ветви ОD.

Рис. 2.37. Управляемый диод – тиристор: а – структура;

б – условное изображение; вольт – амперная характеристика

На практике обычно используют импульсный способ включения тиристоров, при котором ток управления формируют в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов с большой скоростью нарастания.

После окончания импульса управления тиристор остается во включенном состоянии, если анодный ток, зависящий от напряжения и сопротивления R_н, будет больше тока удержания I_уд.

Для выключения тиристоров применяют различные схемы, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим свободной коммутации) и никакой специальной схемы не требуется. В цепях постоянного тока небольшой мощности для запирания тиристора могут вводиться специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньше тока удержания, что осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор. В современных преобразовательных установках (инверторах) большой мощности применяютзапираемые тиристоры GTO, GCT и IGCT.