FAKULTA ELEKTROTECHIKY A KOMUIKAČÍCH TECHOLOGIÍ VYSOKÉ UČEÍ TECHICKÉ V RĚ Výkonová lktronika Výkonové polovodičové spínací součástky VEL Autor ttu: doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka črvn 13 Powr Inovac výuky lktronrgtiky a silnoproudé lktrotchniky formou -larningu a rozšířní prakticky orintované výuky OP VK CZ.1.7/../15.158
Miroslav Patočka 13
PŘEDMLUVA Učbní tt j určn pro přdmět Výkonová lktronika, VEL, vyučovaný v 3. ročníku bakalářského studijního programu na oboru Silnoproudá lktrotchnika a lktronrgtika, -SEE, a na oboru Automatizační a měřicí tchnika, -AMT. Jdná s o část učbního ttu, v ktré lz nalézt násldující kapitoly: Základy tori polovodičů. Základní třídění a přhld výkonových polovodičových spínacích součástk. Výkonové diody. Tyristory. Triaky. ipolární tranzistory. Tranzistory MOS-FET. Tranzistory IGT. Vypínatlné tyristory GTO. udicí obvody spínacích tranzistorů. Odlhčovací obvody spínacích tranzistorů. U všch jmnovaných součástk jsou uvdny mzní, statické a dynamické paramtry, podrobná analýza zapínacího a vypínacího děj a požadavky na koncový stupň budicího obvodu tak, aby součástka byla řízna optimálním způsobm. Autor
OSAH: 1. Základy tori polovodičů... 6 1.1. Polovodičové matriály... 6 1.1.1. Přhld matriálů podl chmické struktury... 6 1.1.. Přhld matriálů podl typu příměsí... 7 1.1.3. Číslné hodnoty koncntrací příměsí v křmíku... 7 1.1.4. Vliv koncntrac příměsí na cílové paramtry součástky... 8 1.. Typy P-přchodů podl matriálu... 9 1.3. Matmatická analýza P-přchodu... 9 1.3.1. Dotační profil P-přchodu... 9 1.3.. Sstavní difrnciální rovnic P-přchodu v dynamické rovnováz... 1 1.3.3. Okrajové podmínky difrnciální rovnic... 14 1.3.4. VA-charaktristika P-přchodu... 17 1.3.5. Parazitní kapacita P-přchodu... 1.4. Fyzikální podstata bipolárního tranzistoru... 1 1.4.1. Princip činnosti bipolárního tranzistoru... 1.4.. Proudový zsilovací činitl... 3 1.4.3. Maimální proud výkonového bipolárního tranzistoru v spnutém stavu... 4 1.4.4. Závěrné napětí výkonového bipolárního tranzistoru v vypnutém stavu... 4 1.4.5. Invrzní ržim výkonového bipolárního tranzistoru... 5. Litratura... 7
1. Základy tori polovodičů 1.1. Polovodičové matriály 1.1.1. Přhld matriálů podl chmické struktury G - grmanium Dns s již téměř npoužívá. výhody: vlká tplotní závislost všch užitných paramtrů, malé závěrné napětí (dsítkyv) a vlký zbytkový proud P-přchodu v zpětném směru, špatné dynamické vlastnosti (pouz nižší kmitočty). Výhoda: malé prahové napětí P-přchodu v propustném směru (asi,15 až,v) dtkční diody. Si - křmík jvíc používán. výhody: vyšší prahové napětí P-přchodu v propustném směru (cca,6v) větší ztráty usměrňovačů. Výhody: jinak j v všch směrch mnohm lpší nž G. Tj. mnší závislost závěrného napětí a zbytkového proudu P-přchodu na tplotě, j mnohm rychljší. SiC - karbid křmíku Vynikající dynamické vlastnosti. V současnosti jsou již běžně na trhu výkonové spínací diody řádově 6V/6A (Infinon). Diody jsou tak rychlé, ž zotavovací děj u nich fyzikálně téměř nistuj. Mají vlmi malou zotavovací dobu t rr (mnší nž 5ns) i zotavovací náboj Q rr. Pokud přs ně nějaký náboj v zpětném směru projd, pak j dán spíš kapacitním proudm jjich parazitní kapacity, nž zotavovacím procsm. Srovnatlná křmíková dioda 6V/6A má zotavovací dobu kolm 1ns. Začínají s objvovat i vlmi rychlé tranzistory MOS-FET s paramtry až 1V/18A (Cr). Ga - nitrid gallia V současnosti v stádiu základního výzkumu. Již istují pokusné funkční vzorky tranzistorů MOS- FET s paramtry kolm 4V/5A. Matriál bud mít lpší tplné a dynamické vlastnosti nž křmík, al horší nž matriál SiC. udoucnost matriálu zálží na zvládnutí tchnologických problémů. C - diamant V současnosti v stádiu základního výzkumu. Již istují pokusné polykrystalické (nikoli monokrystalické) struktury MOS-tranzistorů, vyrostlé na Si-substrátu. Jdná s al o subtilní tranzistory s npatrným kolktorovým proudm v oblasti dsítka a napětím dsítkv. Výroba naráží na závažné tchnologické problémy. U diamantu s přdpokládají mnohm lpší tplné a dynamické vlastnosti nž u křmíku. Očkává s využití přdvším v oblasti výkonových spínacích prvků. GaAs - galliumarsnid Výhody: vynikající dynamické vlastnosti, využití v radiotchnic, tranzistory na vlmi vysoké kmitočty až do oblasti cntimtrových vln (1GHz). výhody: nízké dosažitlné závěrné napětí P-přchodu v zpětném směru (pouz dsítkyv). Matriál proto nlz používat v výkonové lktronic.
1.1.. Přhld matriálů podl typu příměsí Vlastní polovodič J to základní matriál (Si, SiC,...) o vysoké čistotě. Co njvyšší čistota základního matriálu (až na šst dvítk, tj.,999999) j nutnou podmínkou vzniku polovodičových jvů. Polovodič typu Dotován prvky z sousdní páté skupiny (V.-A) Mnděljvovy tabulky (např. P). Tyto příměsi s nazývají donory (oproti Si mají o jdn valnční lktron víc v krystalu vzniká volný lktron). Polovodič typu P Dotován prvky z sousdní třtí skupiny (III.-A) Mnděljvovy tabulky (např. Al). Tyto příměsi s nazývají akcptory (oproti Si mají o jdn valnční lktron méně v krystalu vzniká kladná díra). Polovodič typu nbo P, al navíc s příměsí těžkých kovů (Au, W, Mo,...) Těžké kovy nmají přímý vliv na typ vodivosti. Jjich atomy tvoří tzv. rkombinační cntra, ktrá výrazně urychlují rkombinaci a zánik volných pohyblivých nábojů. bo-li zkracují střdní dobu života volných nábojů, to znamná, ž výrazně zlpšují dynamické vlastnosti (zkracují t off, t on tranzistorů a t rr, Q rr diod). J to ovšm vykoupno nižším závěrným napětím. Každá nčistota totiž snižuj izolační schopnost polovodičové vrstvy v vypnutém (závěrném) stavu. Dotac těžkými kovy j základm tzv. Schottkyho-tchnologií. 1.1.3. Číslné hodnoty koncntrací příměsí v křmíku Koncntrací rozumím počt částic v 1m 3. Pro porovnání určím njdřív koncntraci Si křmíkových atomů v čistém křmíku. Křmík má měrnou hmotnost = 4kg/m 3. Ta musí vyhovovat rovnici m matomu Amu 8,86 mu Si 8,86 mu, (1.1.3-1) V V V V kd j počt atomů v objmu V, A = 8,86 j rlativní atomová hmotnost křmíku, m u = 1,661 7 kg j atomová jdnotka (hmotnost jdnoho nuklonu). Z rovnic lz snadno určit koncntraci Si křmíkových atomů: V m atomu 8,86 m u 5,148 8 Si 1 m 3. (1.1.3-) Při křmíku vyčištěném na šst dvítk, tj. při čistotě,999999 obsahuj křmík rlativně 1 6 nžádoucích zbytkových nčistot. Koncntrac těchto nžádoucích nčistot j tdy řádově 1 86 = 1 m 3. Aby byl spolhlivě přhlušn vliv nžádoucích nčistot, j zřjmé, ž dolní mz koncntrací A, D žádoucích příměsí musí být alspoň o řád větší, tj. rlativně 1 5, tj. absolutně alspoň 1 +1 = 1 3 m 3. Z rovnic (1.1.3-) intuitivně plyn, ž horní mz koncntrací nmůž být rlativně větší nž asi 1 3 až 1 (pak už by s njdnalo o křmík), tj. absolutně 1 83 až 1 8 m 3 = 1 5 až 1 6 m 3. Protož křmík krystalizuj v krychlové soustavě, z rovnic (1.1.-) lz přibližně určit mřížkovou konstantu a (vzdálnost střdů dvou sousdních atomů): V 1 3 a,6881 1 m. (1.1.3-3) 3 Si Symbolické znační vrstv z hldiska množství dotačních příměsí P, - co njméně dotovaný polovodič ( A, D 1 až 1 3 m 3 )
P, - málo dotovaný polovodič ( A, D 1 3 m 3 ) P, - střdně dotovaný polovodič ( A, D 1 4 m 3 ) P +, + - hodně dotovaný polovodič ( A, D 1 5 m 3 ) P + +, + + - trémně dotovaný polovodič ( A, D 1 6 m 3 ) Poznámka: Znaménka nijak nsouvisí s typm vodivosti P nbo, pouz s mírou dotac. 1.1.4. Vliv koncntrac příměsí na cílové paramtry součástky V vypnutém stavu, tj. v zpětném směru, j závěrné napětí P-přchodu určno průrazným napětím té vrstvy, ktrá j méně dotovaná. U diody to obvykl bývá katodová -vrstva, u tranzistoru P a MOS-FETu s -kanálm s jdná vždy o kolktorovou -vrstvu. Vrstva s chová jako izolant. Závěrné napětí j pak určno maimální intnzitou pol, ktrou izolant vydrží, a tloušťkou vrstvy: U E l. (1.1.4-1) záv ma vrstvy Intnzita E ma přitom prudc klsá s rostoucí koncntrací příměsí: U křmíku dosahuj vlmi čistá -vrstva hodnot 1 až V/m, vysoc dotovaná pouz,1 až 1V/m. U součástk s závěrným napětím 1V tdy musí mít vlmi čistá -vrstva tloušťku asi 5 až 1m; vysoc dotovanou vrstvu zd nlz vůbc použít, protož by musla mít nsmyslně vlkou tloušťku, řádově 1 až 1mm. V spnutém stavu j pak průchozí odpor též málo dotované -vrstvy dán vztahm R on lvrstvy, (1.1.4-) S vrstvy kd měrný odpor j bohužl vlký díky malé koncntraci příměsí. Zdůrazněm, ž s jdná o odpor způsobný driftm nosičů, nikoli difúzí nosičů, viz kap.1.4.5. Závislost měrného odporu na koncntraci j totiž určna rovnicí (1.4.1-14). Zmnšování odporu v spnutém stavu R on j pak možné pouz zmnšováním tloušťky vrstvy l vrstvy, al to j v příkrém rozporu s požadavkm na vlké závěrné napětí podl rovnic (1.1.4-1). Proto bohužl mají vysokonapěťové součástky vždy větší odpor v propustném (spnutém) stavu. Kromě toho má koncntrac příměsí vliký vliv i na rychlost a dynamiku součástky: Málo příměsí málo rkombinačních cntr dlouhá doba života volných nábojů špatné dynamické vlastnosti (dlouhé doby t off, t on, t rr, vlké zotavovací náboj Q rr ). Hodně příměsí hodně rkombinačních cntr krátká doba života volných nábojů dobré dynamické vlastnosti (krátké doby t off, t on, t rr, malé zotavovací náboj Q rr ). U kvalitní výkonové spínací součástky požadujm vlké závěrné napětí v vypnutém stavu a současně co njmnší průchozí odpor v spnutém stavu. Z rovnic (1.1.4-1), (1.1.4-) j pak zřjmé, ž oba požadavky jsou navzájm v příkrém rozporu. Rozpor j nutno řšit kompromism a konstruovat zvlášť vysokonapěťové a zvlášť nízkonapěťově součástky: Vysokonapěťové součástky (U záv 5V): Musí mít malou koncntraci příměsí. Odtud plyn, ž budou mít vlký odpor v spnutém stavu (tj. vlký napěťový úbytk U F, U CEsat, U DSon = R DSon I D ) a budou pomalé. Typické příklady vysokonapěťových součástk: Pomalá síťová usměrňovací dioda U R =1V, I F =1A, U F,7V, t rr 8s. Rychlá křmíková dioda U R =1V, I F =1A, U F 1,7V, t rr 1s. P bipolární spínací tranzistor U C =1V, I C =1A, U CEsat,3 až 1V, t off 3s. MOS-FET s kanálm, U DSS =6V, I D =1A, R DSon 5 až 1m, U DSon = R DSon I D,5 až 1V, t off,4s. ízkonapěťové součástky (U záv 4V):
Mohou mít větší koncntraci příměsí. Odtud plyn, ž budou mít malý odpor v spnutém stavu (tj. malý napěťový úbytk) a budou rychlé. Typické příklady nízkonapěťových součástk: Vlmi rychlá křmíková dioda U R =15V, I F =1A, U F 1,5V, t rr,1s. MOS-FET s kanálm, U DSS =5V, I D =1A, R DSon 5 až 1m, U DSon = R DSon I D 5 až 1mV, t off,1s. 1.. Typy P-přchodů podl matriálu Polovodičový přchod vzniká na styku dvou vrstv vytvořných buď z stjných nbo z různých matriálů (např. Si-Si nbo Si-kov), al v obou případch z rozdílně dotovaných matriálů. V tom smyslu lz rozlišit násldující základní typy přchodů. Přchod typu polovodič P - polovodič južívanější typ přchodu, tzv. P-přchod, základ všch bipolárních tchnologií. Přchod typu polovodič P - kov Vrstva typu můž být nahrazna kovm, protož v kovch s vyskytuj přbytk volných (pohyblivých) lktronů. J to základní princip všch Schottkyho-tchnologií. V prai však bývá z tchnologických důvodů ralizován v násldující modifikované podobě: Přchod typu polovodič P - polovodič vysoc dotovaný těžkými kovy (Au, W, Mo,...) Jdná s o obvyklou Schottkyho-tchnologii. Výsldkm dotac j zlpšní dynamických vlastností, al bohužl vždy snížní závěrného napětí přchodu. Typickým příkladm jsou: Znrovy diody (dotac např. zlatm). Kromě cílně nízkého závěrného napětí jsou vlmi rychlé (t rr,s). Schottkyho diody dtkční a přdvším výkonové (nižší úbytk v propustném směru, cca,4v). Vylpšná parazitní substrátová antiparallní dioda v výkonových tranzistorch MOS-FET (dotac diody např. wolframm). U tranzistoru 6V/8A lz substrátovou diodu takto zrychlit z,8s až na,15s. Obchodní názv např. FRED-FET (Fast Rcovry Diod FET). Logické obvody typu Schottky-TTL, např. 74S..., 74LS..., 74ALS... Jsou vlmi rychlé. 1.3. Matmatická analýza P-přchodu 1.3.1. Dotační profil P-přchodu Všchny výsldné vlastnosti P-přchodu jsou určny jho dotačním profilm. J to vhodně zvolná a tchnologicky ralizovaná funkční závislost koncntrac A ( akcptorů na souřadnici v P-oblasti; a rovněž funkční závislost koncntrac D ( donorů v -oblasti. Rozlišujm přchody strmé a pozvolné podl Obr.1.4.-1, přičmž případ a) j idalizovaný a v prai nralizovatlný. Případ c) navíc naznačuj, ž běhm výrobních oprací můž případně dojít k difúznímu prolnutí akcptorových a donorových příměsí i do protilhlých vrstv.
P P P A ( A ( A ( D ( D ( D ( a) Obr.1.4.-1: b) P-přchod a) vlmi strmý (nralizovatlný), b) strmý (např. slitinový), c) pozvolný (např. difúzní). c) Atomy akcptorů a donorů jsou pvně zabudovány do krystalové mřížky, tudíž jsou nhybné. Proto j tvar funkcí A (, D ( pvný a nzávislý na vnějším napětí přiložném na přchod na rozdíl od pohyblivých děr a pohyblivých volných lktronů, jjichž koncntrac p(, n( jsou naopak proměnné a vlmi závislé na vlikosti a směru přiložného napětí, viz např. Obr.1.4.-. Dotační profily A (, D ( jsou běhm výroby cílně tchnologicky ovladatlné a jimi jsou pak určny všchny užitné vlastnosti budoucí součástky. a Obr.1.4.- jsou naznačny vnitřní poměry podél P-přchodu, tj. podél osy. Z důvodu zjdnodušní j úmyslně uvažován vlmi strmý přchod, tj. koncntrac akcptorů a donorů mají podobu jdnotkových skoků A ( = A = konst., D ( = D = konst.
P A A ( a) D ( D b) p(, n( p p n n + c) n p i n i p + ( Elktrony difundující z do P Díry difundující z P do d) E( ) E ( U k f) Obr. 1.4.-: Oblast prostorového náboj P-přchod v stavu dynamické rovnováhy (nikam npřipojný). Význam vličin v obrázku j násldující: A ( - koncntrac pvně zabudovaných akcptorů m 3, atomů z III. skupiny, D ( - koncntrac pvně zabudovaných donorů m 3, atomů z V. skupiny, p( - koncntrac pohyblivých volných děr m 3, n( - koncntrac pohyblivých volných lktronů m 3, ( - prostorová hustota náboj C/m 3, E( - intnzita lktrického pol V/m, ( - průběh potnciálu V, - kontaktní potnciál, tj. difúzní napětí přchodu v propustném směru V. U k J-li P-přchod volný, tj. nzapojný do žádného obvodu, pak s nachází v dynamické rovnováz. To znamná, ž přchodm ntč proud, pouz dojd k určitému statickému rozložní koncntrací p( a n( pohyblivých volných děr a lktronů. Stan s tak díky lktrickému poli gnrovanému
npohyblivými (v krystalové mřížc pvně zabudovanými) akcptory A ( a donory D (. Díky lktrickému poli pvných nábojů j totiž část pohyblivých děr vtažna do oblasti a naopak, část volných lktronů j vtažna do oblasti P. avíc dojd k složité intrakci obou polí od pohyblivých i pvných nábojů. Výsldkm intrakc j určité rozložní prostorové hustoty náboj (, určité rozložní lktrostatické pol E( a jmu odpovídající průběh potnciálu (. ( q p( n( ( 1 E ( ( d A (, D ( p(, n( tplota T p( ; n( q ( ( E( ( ) E( d a) A (, D ( tplota T ( p( n( q p( ( ln q p p(, n( ( ( de( ( d E( d( E( d b) Obr.1.4.-3: K sstavní difrnciální rovnic P-přchodu. Znázornění matmatických vztahů mzi vličinami p(, n(, (, E(, (. Intrakc má charaktr uzavřného cyklu podl Obr.1.4.-3. V cyklu s všchny zájmové vličiny p(, n(, (, E(, ( navzájm ovlivňují podl naznačných rovnic. a obrázku a) s v cyklu vyskytují dva postupné intgrály, na obrázku b) dvě postupné drivac. Odtud plyn, ž dynamická rovnováha nzapojného P-přchodu j výsldkm řšní difrnciální rovnic druhého řádu. Do difrnciální rovnic vstupují jako nzávislé vstupní paramtry jdnak obě koncntrac A (, D ( (tj. dotační profily) a jdnak trmodynamická (absolutní) tplota T. Vyřšní dynamické rovnováhy v nzapojném P-přchodu tdy sstává z tří kroků: Sstavní nlinární difrnciální rovnic druhého řádu pro proměnnou (. alzní obcného řšní, v ktrém s vyskytují obcné (libovolné) intgrační konstanty. Urční konkrétních intgračních konstant z známých okrajových podmínk, ktré s vyskytují v polohách =, =, = +. 1.3.. Sstavní difrnciální rovnic P-přchodu v dynamické rovnováz Při sstavování difrnciální rovnic j vhodné sldovat Obr.1.4.-. Hustota náboj ( na obrázku d) j v oblasti P záporná (volné lktrony vtažné do P). Tato hustota j podl obrázku c) úměrná záporně vzatému rozdílu horní svisl vyšrafované plochy a dolní vytčkované plochy, tj.:
( ) q ( ) ( ), p p n srafovana plocha tckovana pro. (1.4.3-1a) plocha V oblasti j hustota ( kladná (pohyblivé díry vtažné do ). Analogicky bud proto platit ( ) q ( ) ( ), n n p pro. (1.4.3-1b) srafovana plocha tckovana plocha Z hustoty ( lz odvodit intnzitu E( pomocí IV. Mawllovy rovnic: div D, div, Z posldního vztahu plyn 1 E( ( d, div E E, Mzi intnzitou E( a potnciálm ( platí známé vztahy de( ( 1 de( ( d. (1.4.3-) d de( nboli (. (1.4.3-3a, b) d d( ( E( d, nboli E(. (1.4.3-4a, b) d Dosadím-li rovnici (1.4.3-4b) do (1.4.3-3b) získám difrnciální rovnici druhého řádu d ( (. (1.4.3-5) d Jdná s o jdnorozměrný tvar Poissonovy rovnic. Do rovnic (1.4.3-5) dosadím za ( pravou stranu rovnic (1.4.3-1a, b). Tak dospějm k vztahům d ( q n( p( p d d ( q n( p( n d pro. pro. (1.4.3-6a) (1.4.3-6b) Při malé hustotě částic lz nahradit Frmiho statistiku (tj. pravděpodobnostní rozdělovací funkci) mnohm jdnodušší oltzmannovou statistikou. Ta má vždy ponnciální tvar typu W/. Pak mzi koncntrací volných nosičů a pvných příměsí dalko od přchodu budou platit vztahy p, n, (1.4.3-7a, b) A, W A A W A D, kd W A j šířka zakázaného nrgtického pásma akcptoru, např. pro hliník W A =,57V, W D j šířka zakázaného nrgtického pásma donoru, např. pro fosfor W D =,44V. Funkční závislost koncntrací volných nosičů na souřadnici podléhá rovněž oltzmannově statistic: q ( p( p přičmž ( pro všchna. (1.4.3-8a) W D D W D q ( U k ( ) n( n přičmž ( pro všchna, U k j kladná konstanta. (1.4.3-8b) Rovnic (1.4.3-7a,b) dosadím do rovnic (1.4.3-8a,b). Získám tak ztahy
p( A q ( W A přičmž ( pro všchna. (1.4.3-9a) n( D q ( U k ( ) WD přičmž ( pro všchna, U k j kladná konstanta. (1.4.3-9b) Rovnic (1.4.3-9a,b) a (1.4.3-7a,b) dosadím do vztahů (1.4.3-6a,b). Získám tak výsldnou nlinární difrnciální rovnici druhého řádu pro hldanou nznámou funkci (: d q d q ( U k ( ) WD q ( W ( D A A A WA pro, (1.4.3-1a) d q d q ( U k ( ) WD q ( W ( D A A D WD pro. (1.4.3-1b) Zdůrazněm, ž difrnciální rovnic (1.4.3-1a,b) njsou řšitlné analyticky, tj. v uzavřném tvaru. Lz j řšit pouz numricky. Z konkrétního numrického řšní však nvyplývají žádné obcně platné zákonitosti. Proto s v litratuř vyskytují přibližná analytická řšní založná na jdnom z násldujících zjdnodušní: nábojová hustota ( j v těsném okolí přchodu po částch konstantní, viz Obr.1.4.3-1b), nbo nábojová hustota ( s v těsném okolí přchodu mění linárně, viz Obr.1.4.3-1c). ( ( ( d p d n d p d n d p d n E( E( E( E E E ( ( ( U k U k Uk a) b) c) Obr.1.4.3-1: P-přchod v stavu dynamické rovnováhy (nikam npřipojný). a) skutčný průběh nábojové hustoty (, b) náhradní konstantní průběh hustoty, c) náhradní linární průběh hustoty. Intnzita E( j intgrálm z (. Potnciál ( j intgrálm z E(. Proto na Obr.1.4.3-1 b) má intnzita průběh linární a potnciál průběh kvadratický. a Obr.1.4.3-1 c) má intnzita průběh kvadratický a potnciál průběh kubický. 1.3.3. Okrajové podmínky difrnciální rovnic V počátku souřadnic = zřjmě platí podl Obr.1.4.- dvě násldující okrajové podmínky:
p ) n() n, ). (1.4.4-1), (1.4.4-) ( i ( Koncntrac volných děr i lktronů j v počátku stjná a dosahuj hodnoty p i = n i. Rovnic (1.4.4- ) j výsldkm volby (bod s nulovým potnciálm můž být zvoln libovolně). V P-oblasti dalko od přchodu, tj. pro, platí další dvě okrajové podmínky p ( ) p, n ( ) n (1.4.4-3), (1.4.4-4) a v vzdálné -oblasti, tj. pro +, platí posldní dvě okrajové podmínky p ) p, n ) n. (1.4.4-5), (1.4.4-6) ( ( Z oltzmannovy statistiky plyn, ž poměr nosičů typu p na obou vzdálných koncích přchodu j určn oltzmannovou ponnciální rozdělovací funkcí q p U k, kd hodnoty q, U k uvažujm jako kladná čísla, (1.4.4-7) p protož nrgi q U k j právě potřbná k přnsní náboj q přs vzniklou kontaktní potnciálovou bariéru U k. To al nznamná, ž přchodm nmůž téci v propustném směru proud, j-li na přchod přiložno vnější napětí, ktré j mnší nž kontaktní potnciál. Proud tč přchodm i v situaci UU k, protož rovnic (1.4.4-7) má pravděpodobnostní charaktr (něktré nosič totiž projdou přs potnciální bariéru, i když mají nrgii mnohm nižší nž q U k ). Podobná rovnic musí platit i pro poměr nosičů typu n: q n U k. (1.4.4-8) n Mají-li obě strany P-přchodu stjnou tplotu T, pak obě rovnic (1.4.4-7), (1.4.4-8) musí dát stjnou hodnotu potnciálové bariéry U p. Rovnají-li s tdy pravé strany obou rovnic navzájm, musí s rovnat i lvé strany. Z rovnosti lvých stran plyn vztah p (1.4.4-9) n pn. Mají-li obě strany P-přchodu různou tplotu T, pak rovnic (1.4.4-7), (1.4.4-8) gnrují různé hodnoty kontaktní potnciálové bariéry U k. P-přchod pak můž pracovat jako trmolktrický gnrátor, jhož napětí j rovno rozdílu obou nstjných potnciálových bariér. Z podobných důvodů můž P-přchod pracovat jako fotovoltaický gnrátor, j-li jdna strana přchodu osvětlna víc nž druhá. Rovnic (1.4.4-7), (1.4.4-8) lz zobcnit i pro oblasti nacházjící s v těsné blízkosti přchodu. V tplné rovnováz pak platí násldující vztahy: q ( p( n, n( n, (1.4.4-1), (1.4.4-11) i i q ( kd q uvažujm v abs. hodnotě. Vynásobním rovnic (1.4.4-1), (1.4.4-11) získám vztah p ( n( n konst. (1.4.4-1) i Součin koncntrací pohyblivých nábojů j tdy všud podél přchodu konstantní. Rovnic (1.4.4-9) a (1.4.4-1) lz tdy sloučit do jdné zobcněné rlac p( n( p n pn n i. (1.4.4-13) Z rovnic (1.4.4-1) lz vyjádřit (. Pro + dospějm k výsldku ni ni ln ln. (1.4.4-14) q p q p Podobně pro získám výsldk
ni ni ln ln. (1.4.4-15) q p q p Vlikost kontaktního potnciálu U k získám tak, ž od rovnic (1.4.4-14) odčtm (1.4.4-15): U k ni ni p ln ln ln. (1.4.4-16) q p p q p Z rovnic (1.4.4-13) vyjádřím p + a dosadím do (1.4.4-16). Tak získám výsldk v tvaru U k n p ln. (1.4.4-17) q n i V větší vzdálnosti od přchodu lz učinit přibližné náhrady: n + D, p A. Pak lz rovnici (1.4.4-17) přpsat do sic přibližného, al jdnoduchého tvaru D A U k ln,7v pro křmík, při T = 3K. (1.4.4-18) q n i V rovnici (1.4.4-16) figuruj tchnologicky a matriálově nzávislý čln, tzv. tplný potnciál q 5,8mV při T = 3K (1.4.4-19) a druhý logaritmický čln, jhož hodnotu lz zpětně určit z změřné hodnoty kontaktního potnciálu křmíkového přchodu U k 7mV: D A q 7 mv ln U 7 k pro křmík, při T = 3K. (.4.4-) n 5,8 mv i Logaritmický čln j mírně závislý na tchnologických konstantách, tj. na koncntracích D, A. Mírně proto, ž logaritmus závislost výrazně změkčuj, činí ji méně strmou. Proto všchny křmíkové přchody, i když různě dotované, mají hodnotu kontaktního difúzního potnciálu vždy kolm,7v (,6V až,75v) a nmohou mít např.,3v nbo V (míněno při pokojové tplotě 3K). aproti tomu grmaniový přchod má z podobných důvodů prahové napětí přibližně,v. Uvdná čísla však platí pro tploty kolm T = 3K. J al známo, ž kontaktní difúzní potnciál j tplotně závislý a klsá s rostoucí tplotou s strmostí přibližně,5mv/k. To naopak znamná, ž potnciál rost s klsající tplotou. Klsá-li trmodynamická tplota limitně k absolutní nul, kontaktní potnciál s limitně blíží hodnotě U G = 1,5V, což j šířka zakázaného pásu křmíku. Jv j logicky pochopitlný, protož při nulové tplotě zaniká trmická gnrac děr a volných lktronů na nízkých místních nrgtických hladinách W D, W A donorů a akcptorů, viz kap. 1.3.5. To al znamná, ž pokud má přchodm téci proud v propustném směru, všchny nosič náboj musí přkonat zakázané pásmo křmíku o nrgii W G = 1,5V. Zdůrazněm, jak již bylo řčno, ž v propustném směru tč přchodm proud i v situaci, kdy přiložím na přchod napětí mnší nž činí potnciálová bariéra U k. Tj. proud tč i v situaci UU k (např. při U=,3V). J to dáno tím, ž průnik nosičů přs potnciálovou bariéru má pravděpodobnostní charaktr, takž něktré nosič projdou přs potnciální bariéru, i když mají nrgii mnohm nižší nž q U k. Výsldkm těchto pravděpodobnostních jvů j istnc spojité ponnciální VA-charaktristiky přchodu, ktrá j odvozna v násldující kapitol. Přdpokládjm idalizovaný stav, v ktrém nistují napěťové úbytky na parazitních odporch přchodu. Jdná s o součt jdnak parazitních průchozích odporů jdnotlivých vrstv a jdnak přchodových odporů, vznikajících na každém styku polovodič-kovový kontakt. V tomto idalizovaném případě by pak v propustném směru vůbc nbylo možno dosáhnout stavu U=U k. Přchodm by totiž torticky tkl npřdstavitlně vlký proud, řádově 1 6 A. V skutčnosti jsou napěťové úbytky na parazitních odporch značné a díky nim vždy nastává při větších proudch situac UU k.
1.3.4. VA-charaktristika P-přchodu Všchny násldující úvahy jsou odvozny za zjdnodušujícího přdpokladu, ž nistují napěťové úbytky na parazitních odporch P-přchodu. To znamná, ž vodivost jdnotlivých objmových částí polovodič j dostatčně vysoká, nvznikají na nich napěťové úbytky, proto vškré přiložné napětí s rozprostř pouz v oblasti prostorového náboj, viz Obr.1.4.-. Jinými slovy tnto přdpoklad znamná, ž nosič nábojů s pohybují v objmu polovodič pouz v důsldku difúz (tj. bzztrátově ) a nikoli v důsldku driftu (tj. ztrátově odporově ). V přdchozí kapitol bylo vysvětlno, ž za tohoto přdpokladu pak v propustném směru musí vždy platit nrovnost UU k. ásldující výpočty tdy nplatí v situaci U=U k nbo dokonc UU k. J-li P-přchod npřipojný, pak v stavu dynamické rovnováhy ntč přchodm proud. Protož však dochází k nustálé rkombinaci lktronů a děr, tj. k jjich zániku, tato průběžná rkombinac musí být v rovnováz s průběžnou náhodnou tplnou gnrací lktronů a děr. V důsldku obou dějů tčou přchodm dva proudy, proud I r odpovídající rkombinaci a I g odpovídající gnraci. Situac j naznačna na Obr.1.4.5-1. J-li přchod npřipojný, pak v rovnovážném stavu podl obrázku a) musí být clkový proud I, tkoucí přchodm v dohodnutém kladném propustném směru, nulový: I I r I. (1.4.5-1) g Polarizujm-li přchod v závěrném směru podl obrázku b), gnrační proud s téměř nzmění, al rkombinační s vlmi zslabí, protož volné lktrony a díry nmohou přcházt přs vlkou potnciálovou bariéru způsobnou vnějším napětím (nmohou tdy rkombinovat). Proto clkový proud přchodm bud I I I I. (1.4.5-) r g g Tplotně gnrovaný proud I g má tdy význam zbytkového proudu diody v závěrném směru. P I r I g a) I r I g b) I g I r c) Obr.1.4.5-1: P-přchod a) nikam npřipojný, b) polarizovaný v závěrném směru, c) polarizovaný v propustném směru. Složka I g j v všch případch přibližně stjně vlká. Polarizujm-li přchod v propustném směru podl obrázku c), gnrační proud I g s opět téměř nzmění, al rkombinační I r prudc vzrost, protož vnější napětí snížilo potnciálovou bariéru. Snížním bariéry totiž vzrost pravděpodobnost přchodu volných lktronů a děr přs přchod, tudíž vzrost pravděpodobnost rkombinac, nboli vzrost rkombinační proud I r. Podl klasické oltzmannovy statistiky j vztah mzi rkombinačním a tplným gnračním proudm násldující: I r W qu I I, (1.4.5-3) g g kd náboj lktronu q j záporný, proto musí být dosazován do ponntu v druhém výrazu v absolutní hodnotě (j-li napětí U kladné, clý ponnt j kladný). Pak clkový proud tkoucí Ppřchodm získám dosazním rovnic (1.4.5-3) do (1.4.5-). Vznikn tak ponnciální závislost proudu na napětí
qu I I 1 r I g I g. (1.4.5-4) Jdná s o analytické vyjádřní VA-charaktristiky P-přchodu. Rovnic j použitlná pro obě polarity vnějšího napětí, tj. v propustném i závěrném směru. a obrázcích Obr.1.4.5- až 4 j uvdn příklad grafického vyjádřní VA-charaktristiky (1.4.5-4). J však třba upozornit, ž podl [5] j rovnic platná pouz pro U U k. líží-li s v propustném směru napětí U zdola kontaktnímu potnciálu U k, rovnic (1.4.5-4) začíná být npřsná. Rovnic navíc nzohldňuj přirozné driftové odpory jdnotlivých polovodičových vrstv a kovových kontaktů. Rovnici j tdy nutno chápat pouz jako přibližnou, idalizovanou, pouz kvalitativní nikoli kvantitativní. 5,E-7 4,E-7 3,E-7,E-7 I [A] 1,E-7,E+ -1,E-7 -,E-7 5-8 A 1-7 A -7 A -3,E-7-4,E-7-5,E-7 -,1 -,8 -,6 -,4 -,,,4,6 U [V] Obr.1.4.5-: VA-charaktristika P přchodu počítaná podl rovnic (1.4.4-4) pro tplotu T = 35 K a pro různé zbytkové proudy I g. Dtail malých proudů v těsném okolí počátku souřadnic.
5,E+1 4,E+1 3,E+1 I [A],E+1 5-8 A 1-7 A -7 A 1,E+1,E+ -1,E+1-1 -,5,5 1 U [V] Obr.1.4.5-3: VA-charaktristika P přchodu počítaná podl rovnic (1.4.4-4) pro tplotu T = 35 K a pro různé hodnoty I g. Tatáž VA-charaktristika jako na Obr.1.4.5-, al zobrazná v zvětšném proudovém měřítku. Zobrazní vlkých proudů v propustném směru. 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+ 1,E+1 1,E+ I [A] 1,E-1 1,E- 1,E-3 5-8 A 1-7 A -7 A 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9,1,,3,4,5,6,7 U [V] Obr.1.4.5-4: VA-charaktristika P přchodu počítaná podl rovnic (1.4.4-4) pro tplotu T = 35 K a pro různé hodnoty I g. Tatáž VA-charaktristika jako na Obr.1.4.5-, al zobrazná v smilogaritmickém měřítku. Zobrazny jsou pouz kladné proudy v propustném směru (záporné proudy nlz logaritmovat).
3,E-7,E-7 1,E-7 I [A],E+ 5-8 A 1-7 A -7 A -1,E-7 -,E-7-3,E-7-3 -,5 - -1,5-1 -,5,5 U [V] Obr.1.4.5-5: VA-charaktristika P přchodu počítaná podl rovnic (1.4.4-4) pro tplotu T = 35 K a pro různé hodnoty I g. Tatáž VA-charaktristika jako na Obr.1.4.5-, al zobrazná pro větší napětí v závěrném směru. Dtail zbytkových proudů. Z rovnic (1.4.5-4) plyn, ž už i pro rlativné malé záporné napětí saturuj proud v závěrném směru rychl na hodnotu I g a hlouběji nklsá, viz Obr.1.4.5-5. Proud I g má tdy význam zbytkového proudu v závěrném směru. Zvětšujm-li napětí v závěrném směru (míněno v absolutní hodnotě), zbytkový proud I g zůstává podl rovnic torticky konstantní. V skutčnosti s napětím npatrně rost vlivm poruch v krystalové mřížc. Trnd npatrného růstu j zachován pokud j rostoucí napětí v závěrném směru dostatčně mnší nž napětí průrazné (míněno opět v absolutní hodnotě). lížím-li s k napětí průraznému, zbytkový proud začíná prudc narůstat a vytvoří na VA-charaktristic typické, téměř pravoúhlé, kolno tzv. prvního průrazu (obvykl vratného). V této oblasti j již rovnic (1.4.5-4) nplatná. Pokud by byl zbytkový proud I g v rovnici (1.4.5-4) konstantní, tj. nzávislý na tplotě, j vidět, ž napětí v propustném směru by rostlo s tplotou. apětí by al správně mělo klst (j známo, ž s strmostí přibližně,5mv/k). J to dáno tím, ž zbytkový proud I g v rovnici (1.4.5-4) j v skutčnosti silně závislý na tplotě. Za zjdnodušujícího přdpokladu, ž nábojová hustota s mění v blízkosti přchodu linárně podl Obr.1.4.3-1c), lz zbytkový proud I g v rovnici vyjádřit vztahm I g Dp p qs Lp Dnn L n p p S Lp nn L n, (1.4.5-5) přičmž druhý tvar vznikl dosazním Einstinova vztahu (1.4.1-6) za difúzní koficinty D p, D n. Vzdálnosti L p, L n jsou difúzní délky, S j plocha přchodu. Obě nžádoucí zbytkové koncntrac p +, n nčistot s opačnou vodivostí (p + s nachází v oblasti, n v oblasti P, viz Obr.1.4.-) jsou rovněž ponnciálně závislé na tplotě. Závislosti mají totiž opět charaktr oltzmannovy statistiky, tj. W/. Rovnici (1.4.5-5) by tdy bylo nutno dosadit do VA-charaktrisitky (1.4.5-4), ktrá by pak vystihovala chování přchodu i při změnách tploty. 1.3.5. Parazitní kapacita P-přchodu Difúzní kapacita P-přchodu: J to kapacita přchodu v propustném směru. Difúzní kapacita j obrazm prostorového náboj difundujících volných lktronů a děr v těsném okolí přchodu. Podl Obr.1.4.3-1 s jdná o náboj rozprostřný s hustotou ( v vzdálnostch d p, d n od hranic přchodu. Protož s jdná o
nlinární kapacitu (tj. napěťově závislou), tortický výpočt jjí vlikosti nmůž vycházt z vztahu C = Q/U, nýbrž z obcnějšího vztahu dq C. (1.4.6-1) du Jdná s tdy o difrnciální kapacitu. Výsldk výpočtu pak závisí na zvolném tvaru aproimační funkc ( podl Obr.1.4.3-1 (tj. funkc konstantní či linární). Při aproimaci konstantou lz podl [7] dospět k výsldku C S rq D ( U U ) k S q U U 1 U p r D k C 1 U U k 1, (1.4.6-) kd r = 1,5 j rlativní prmitivita křmíku, S j plocha přchodu, D j koncntrac donorů (popř. akcptorů, protož rovnic byla odvozna za zjdnodušujícího přdpokladu A = D ), U k j difúzní kontaktní potnciál přchodu daný rovnicí (1.4.4-18), C j kapacita přchodu při nulovém napětí. V propustném směru s do rovnic (1.4.6-) dosazuj kladné napětí, tj. při U U k (,7 V) rost kapacita přchodu nadvšchny mz. ariérová kapacita P-přchodu: J to kapacita přchodu v závěrném směru. ariérová kapacita j kapacita tzv. dpltiční (vyprázdněné) vrstvy. Jdná s o vrstvu, z níž jsou vlivm záporného napětí přiložného v závěrném směru odstraněny všchny pohyblivé nosič, tj. volné lktrony i díry. Kapacitu dpltiční vrstvy pak lz určit podl běžného vztahu S C r, (1.4.6-3) l kd l j tloušťka dpltiční vrstvy. Tloušťka vrstvy al rost nlinárně s napětím, tudíž kapacita klsá. Pro vlikost kapacity platí opět vztah (1.4.6-) s tím, ž napětí U s do něj dosazuj záporné, tj. výraz (U k U) j vždy kladný. Přsněji lz napěťovou závislost kapacity aproimovat polompirickým vztahm 1 U m C C1, (1.4.6-4) U k kd nclé číslo m lží v intrvalu až 3. U výkonových spínacích tranzistorů v vypnutém stavu s uplatňuj bariérová kapacita kolktorového přchodu C-, ktrý j polarizován v závěrném směru. Tato kapacita můž někdy ovlivňovat chování výkonového měnič v tom smyslu, ž tvoří rzonanční obvod, a to buď s parazitními nbo pracovními indukčnostmi v silových obvodch měnič. V měniči pak vznikají parazitní rzonanční zákmity, jjichž kmitočt j určn prvky L, C. Podobně s chová bariérová kapacita výkonových diod nacházjících s v závěrném směru. 1.4. Fyzikální podstata bipolárního tranzistoru ipolární tranzistor využívá k činnosti majoritních i minoritních nosičů (proto bipolární) a pracuj na principu injkc nosičů. aproti tomu unipolární tranzistor využívá pouz majoritních nosičů (proto unipolární) a pracuj na principu řízní majoritních nosičů lktrickým polm.
1.4.1. Princip činnosti bipolárního tranzistoru a Obr.1.5.1-1 j uvdna schmatická značka tranzistoru P a principiální i skutčné uspořádání čipu. Zdůrazněm, ž gomtrické uspořádání na obrázku b) nní funkční. C E P C l pi l ++ b C ++ P substrát D 1 5 m 3 pitaní vrstva D 1 m 3 A 1 3 m 3 a) b) E c) E D 1 5 m 3 Obr.1.5.1-1: ipolární tranzistor P. a) Schmatická značka. b) Principiální uspořádání čipu. c) Skutčná gomtri čipu. Čip tranzistoru musí být prostorově uspořádán podl obrázku c). J-li tranzistor P na dráz C-E otvřn, tč jím kolktorový proud (kladných nábojů) v směru CE shora dolů. To al znamná, ž v skutčnosti tč tranzistorm proud záporných lktronů v opačném směru EC zdola nahoru. Elktrony jsou injktovány (mitovány) mitorm do oblasti báz. Má-li téci kolktorový proud, lktrony musí volně proltět bází až do kolktorové pitaní vrstvy, kd jsou zachycny a dál urychlovány kladným potnciálm, na ktrém s nachází kolktor vůči bázi (v aktivní oblasti výstupních charaktristik j kolktor vždy na vyšším potnciálu nž báz). Volný průlt lktronů skrz bázi j způsobn difúzí (nikoli odporovým driftm) a j tdy podmíněn nrovností l, (1.5.1-1) b L n kd L n j difúzní délka lktronů v bázi, daná rovnicí (1.4.1-11). Pro obvyklou koncntraci akcptorů v bázi A 1 3 až 1 4 m 3 bývá difúzní délka typicky L n 1m, proto musí mít báz tloušťku řádově mnší, pouz l b 1m. áz musí být co njtnčí z dvou důvodů: Aby s omzila nžádoucí rkombinac minoritních nosičů (lktronů) běhm pohybu v této oblasti, ktrá způsobuj pokls zsilovacího činitl. Aby byla co njkratší doba průltu minoritních nosičů přs tuto oblast. Dobou průltu j totiž určna rychlost (mzní kmitočt) tranzistoru. Mzní kmitočt P tranzistoru lz určit z násldující úvahy: V mzní situaci musí být doba t b průltu minoritních nosičů (lktronů) skrz bázi rovna mzní půlpriodě T m / přnášného harmonického signálu. Pokud by totiž byla doba průltu dlší, nastalo by brzdění lktronů lktrickým polm opačné polarity. Mzní situac j tdy dfinována rovnicí t b Tm 1. (1.5.1-) f m Mzi difúzní délkou L n a dobou rkombinac n platí rovnic (1.5.1-3). V rovnici přznačím L n na l b a n na t b. Dobu průltu t b pak osamostatním na lvou stranu. získám tak vztah l b qlb tbn tb. (1.5.1-3a, b) q n Pravé strany rovnic (1.5.1-3b) a (1.5.1-) s musí sobě rovnat. Z této rovnosti pak plyn, ž mzní kmitočt tranzistoru má vlikost
f m n. (1.5.1-4) q l b Mzní kmitočt j npřímo úměrný druhé mocnině tloušťky báz. Rychlý tranzistor tdy musí mít bázi co njtnčí. U tranzistoru PP bud v rovnici figurovat mnohm mnší pohyblivost p děr, proto jsou PP tranzistory vždy pomaljší oproti srovnatlným P součástkám. 1.4.. Proudový zsilovací činitl Stjnosměrný proudový zsilovací činitl tranzistoru v zapojní s spolčným mitorm j dfinován v konkrétním pracovním bodu jako poměr stjnosměrných hodnot kolktorového a bázového proudu: IC. (1.5.-1) I a Obr.1.5.-1 s jdná např. o pracovní bod X 1, jhož příslušné hodnoty I C1 a I 1 jsou v obrázku naznačny. i C I C1 X 1 I 1 I C X I i u CE Obr.1.5.-1: Výstupní charaktristiky bipolárního tranzistoru P. Difrnciální proudový zsilovací činitl tranzistoru v zapojní s spolčným mitorm j dfinován v konkrétním pracovním bodu jako poměr difrnciálních přírůsků kolktorového a bázového proudu: h di d I C C 1, E (1.5.-) I I při konstantním kolktorovém napětí. V prai j nutno nahradit difrnciální přírůstky di končně vlkými přírůstky I C a I. a Obr.1.5.-1 s jdná např. o pracovní bod X, jhož příslušné přírůstky I C a I jsou v obrázku vyznačny. Pokud j síť výstupních charaktristik přibližně kvidistantní, tj. podobně jako na Obr.1.5.-1, pak přibližně platí h 1,E. V tchnologickém procsu lz proudový zsilovací činitl tranzistoru nastavit na konkrétní hodnotu množstvím dotačních příměsí. Zjdnodušně, al s dobrou přibližností, j zsilovací činitl určn poměrm koncntrac D,E donorů v mitoru ku koncntraci A, akcptorů v bázi: D, E. (1.5.-3) A, apříklad tranzistor na Obr.1.5.1-1 má zsilovací činitl přibližně 1 5 /1 3 = 1. Rovnic (1.5.- 3) j intuitivně snadno pochopitlná: áz obsahuj např. 1-krát méně příměsí nž mitor, tj.
hustota kladných děr v bázi j 1-krát mnší nž hustota volných lktronů v mitoru. Pak j zřjmé, ž z každé stovky mitorm injktovaných lktronů s v bázi můž zachytit (tj. rkombinovat s dírou a vytvořit bázový proud) pouz jdiný lktron. Zbylých 99 lktronů nnalzn v bázi nobsaznou díru, proto musí bází volně proltět až do oblasti kolktoru (kd vytvoří kolktorový proud). Zsilovací činitl by tdy měl v tomto konkrétním případě vlikost =99/1=99. V 7 j ukázáno, ž přsný výpočt zsilovacího činitl j mnohm složitější, výsldná hodnota totiž také závisí na difúzních činitlích, na rychlosti rkombinac v oblasti prostorového náboj přchodu -E, tudíž i na tloušťc l b báz. 1.4.3. Maimální proud výkonového bipolárního tranzistoru v spnutém stavu Maimální kolktorový proud tkoucí tranzistorm v spnutém stavu j určn maimální proudovou hustotou a půdorysnou plochou čipu podl rovnic I. (1.5.3-1) C, ma ma S U bipolární tchnologi j maimální dosažitlná hodnota proudové hustoty asi 1A/mm. To znamná, ž výkonový spínací tranzistor o jmnovitém proudu 1A musí mít plochu čipu přibližně 1cm. Tatáž čísla platí i pro tranzistory IGT. U tranzistorů MOS-FET j maimální proudová hustota mnohm nižší. 1.4.4. Závěrné napětí výkonového bipolárního tranzistoru v vypnutém stavu a Obr.1.5.3-1a) j tranzistor nahrazn dvěma diodami. V vypnutém stavu lží clé vnější napětí U CE na přchodu C-, ktrý s chová jako dioda polarizovaná v závěrném směru. Vlikost závěrného napětí U C přchodu C- závisí na čistotě pitaní kolktorové vrstvy a na jjím dotačním profilu. Vlmi čistý křmík dosahuj izolační pvnosti až E ma V/m. a Obr.1.5.1-1 by tomu odpovídala potřbná tloušťka l pi pitaní vrstvy U C,ma lpi. (1.5.4-1) E ma Pro U C,ma = 1V pak vychází l pi 5m. V skutčnosti bývá tloušťka až 1m. U vysokonapěťových tranzistorů trojitě difundovaných s totiž dotační profil D ( výrazně mění podél délky vrstvy, v důsldku čhož s mění i maimální intnzita E ma (, ktrá j tdy funkcí souřadnic. Proto j nutno závěrné napětí U C přchodu -C počítat podl rovnic pi U E ( d. (1.5.4-) C, ma l ma aproti tomu vlikost závěrného napětí U CE,ma bipolárního tranzistoru závisí přdvším na konkrétním vnějším obvodovém zapojní přchodu -E: a obrázku Obr.1.5.4-1b) j přchod -E zkratován, tj. zcla vyřazn z činnosti, jako by vůbc nistoval. Zbytkový proud I C s totiž zkratovanému přchodu -E vyhn vnější naznačnou cstou. Výsldkm j vlká hodnota U CES závěrného napětí, ktrá j číslně totožná s závěrným napětím samotné horní diody tvořné kolktorovým přchodm C-, tdy U CES U C.
U C U E C I C + = U CE C I C P + = U CES Obr.1.5.4-1: E a) E b) Závěrné napětí bipolárního tranzistoru. a)áhrada tranzistoru dvěma diodami. b)csta zbytkového proudu I C, j-li přchod -E zkratován. a obrázku Obr.1.5.4-a) j báz nikam npřipojna. V tom případě musí zbytkový proud I C protéci přs přchod -E. Z pohldu tranzistoru j to al totéž, jako by do báz tkl z vnějšího budicího obvodu bázový proud I o vlikosti I C podl obrázku b). Přchod -E totiž numí rozlišit zda proud jím tkoucí, přitéká do prostoru báz shora nbo z vnějšku. V obou případch tnto proud projd skrz přchod -E (naznačno kruhm), v němž s -krát zsílí, tranzistor s pootvř a výsldkm j pokls závěrného napětí z vlké hodnoty U CES na mnohm mnší hodnotu U CE (např. z U CES =1V na U CE 3V). Přičmž hodnota U CES j vlmi málo závislá na tplotě, kdžto hodnota U CE výrazně klsá s rostoucí tplotou, protož rost zbytkový proud. C C I C P + = U CE I P + = U CE E a) E b) Obr.1.5.4-: Závěrné napětí bipolárního tranzistoru P. a)csta zbytkového proudu I C v ržimu U CE s npřipojnou bází. b)přchod -E numí rozlišit zbytkový proud I C od vnějšího bázového proudu I. V prai j tdy vlmi důlžité, aby v ržimu vypnuto koncový stupň budič buď lktronicky zkratoval bázi s mitorm, nbo dokonc polarizoval bázi oproti mitoru záporným napětím přibližně 5V. 1.4.5. Invrzní ržim výkonového bipolárního tranzistoru Invrzním ržimm bipolárního P tranzistoru rozumím stav, při ktrém j napětí U CE záporné, tj. napětí U EC j kladné. U výkonových spínacích tranzistorů tato situac nastává thdy, j-li tranzistor zapojn v větvi výkonového měnič podl Obr.1.5.5-1. V okamžiku vypnutí dolního tranzistoru s zátěž chová jako idální zdroj konstantního proudu I z díky své induktivní složc. Proud zátěž tdy musí začít téci horní nulovou diodou. a diodě vznikn v propustném směru napěťový úbytk přibližně 1V, ktrým j namáhán sousdní tranzistor v invrzním ržimu.
T H D T H D U CE + = D T D I z U CE + = D I C,inv T D I D I z a) b) Obr.1.5.5-1: Invrzní ržim bipolárního tranzistoru. a)tranzistor T D j spnut a tč jím proud zátěž I z. b) Tranzistor T D j vypnut, proto j proud I z přvzat horní nulovou diodou (I D ), případně horním tranzistorm v invrzním ržimu (I C,inv ). Zda potč tranzistorm v invrzním ržimu proud, o tom rozhoduj nikoli tranzistor, nýbrž zapojní a stav (zapnuto, vypnuto) budicího obvodu na Obr.1.5.5-. Zátěž j zd nahrazna idálním zdrojm konstantního proudu I z, ktrý j vnucován do antiparallní dvojic T, D. a obrázku b) j naznačn stav vypnuto, ktrý j ralizován tak, ž koncový stupň budič zkratuj lktronicky přchod -E (zkrat j naznačn čárkovaně). Dioda tvořná kolktorovým přchodm -C j vyznačna šipkou. V invrzním (tj. naktivním) ržimu lz totiž tranzistor nahradit dvěma diodami. a Obr.1.5.5-3a) j pak zachycna stjná situac jako na Obr.1.5.5-b). udicí obvod C E a) I C,inv I D U EC = + Iz C E b) I C,inv I D U EC = + Iz Obr.1.5.5-: Vliv budicího obvodu na invrzní ržim bipolárního tranzistoru. Dioda -C j vyznačna šipkou. a)uspořádání budič a tranzistoru. b)udič v stavu vypnuto zkratuj lktronicky přchod -E. a Obr.1.5.5-3 j znázorněn invrzní ržim tranzistoru nacházjícího s v vypnutém stavu. V případě a) j přchod -E lktronicky zkratován. Zda potč proud I z přchodm -C nbo nulovou diodou D bud zálžt na tom, ktrá z obou diod má v propustném směru mnší napěťový úbytk. Pokud hovořím o vysokonapěťovějších součástkách (U záv 6V), pak přchod -C bud mít bohužl úbytk mnší nž rychlá (t rr ns) nulová dioda. To znamná, ž proud I z potč pouz přchodm -C: IC, inv Iz, I D. (1.5.5-1a, b) V statickém stavu nní tnto jv pro tranzistor škodlivý. Dioda -C j však bohužl vždy pomalá (t rr 1s). V důsldku toho budou vznikat v spínacím ržimu núnosně vlké zotavovací ztráty jak na této diodě tak na protilhlém tranzistoru (na Obr.1.5.5-1 vzniká zotavovací zkrat mzi zapínajícím s tranzistorm T D a jště nzotavnou diodou -C tranzistoru T H ).
C E Obr.1.5.5-3: I C,inv I D = U EC U E D = D I z + I z + E + a) b) Invrzní ržim bipolárního tranzistoru v vypnutém stavu. a) Přchod -E j budičm lktronicky zkratován. b)přchod -E j budičm polarizován v závěrném směru zdrojm napětí U E 5V. C I C,inv I D = U EC V případě b) j tranzistor rovněž vypnut, al tak, ž přchod -E j polarizován v závěrném směru malým záporným napětím U E (3 až 6)V. Toto napětí vytváří koncový stupň budič. Proud I z si vybr tu z dvou parallních cst, na ktré musí přkonat mnší napěťový úbytk. Pak j zřjmé, ž proud I z potč diodou D a nikoli přs přs zdroj U E a přchod -C: I, I. (1.5.5-a, b) C, inv D I z Protož trní nulová dioda D j rychlá, zotavovací ztráty jsou v případě b) řádově mnší nž v případě a). I = T H U E C E I C,inv I -E I D = + U EC I z Obr.1.5.5-4: Invrzní ržim bipolárního tranzistoru v spnutém stavu. Přchod -E j polarizován v propustném směru zdrojm proudu o vlikosti např. I 1,5A. a Obr.1.5.5-4 j znázorněn invrzní ržim tranzistoru nacházjícího s v zapnutém stavu. Tnto stav nastává thdy, jsou-li v větvi měnič střídavě zapínány oba tranzistory T H i T D. Jdná s o ržim tzv. spínání obou tranzistorů v větvi. Stav na Obr.1.5.5-4 odpovídá situaci, v jaké s nachází spnutý tranzistor T H na Obr.1.5.5-1b) po vypnutí tranzistoru T D. Přdpokládjm, ž s jdná o dstiampérový vysokonapěťový tranzistor s závěrným napětím 1V, ktrý při I z =1A vyžaduj budicí proud I =1,5A. Z Obr.1.5.5-4 j pak zřjmé, ž v případě I z I nastolí oba proudové zdroj násldující rozložní jdnotlivých proudů: I I 1,5A, I I I 8,5A, I A. (1.5.5-3a, b, c) C, inv D z V případě I z I, tj. např. I z =1A, I =1,5A, bud rozložní proudů násldující: I C, inv Iz 1A, I A D, I I I,5A. (1.5.5-4a, b, c) -E J vidět, ž v obou případch tč přchodm -C tranzistoru T H proud. Chcm-li znovu zapnout dolní tranzistor T D, musím njdřív vypnout tranzistor T H jdním z způsobů, ktré jsou naznačny na Obr.1.5.5-3 a) nbo b), a to s všmi důsldky týkajícími s zotavovacích ztrát. -E z. Litratura
[1] Ptržílka V., Šafrata S.: Elktřina a magntismus. Přírodovědcké vydavatlství, Praha, 1953, vydání první. [] Haňka L.: Tori lktromagntického pol. STL, Praha, 1975, vydání první. [3] Rktorys K. a kol.: Přhld užité matmatiky I., II. STL, Praha, 1988, vydání páté nzměněné. [4] Horák Z., Krupka F.: Fyzika, sv. 1, sv.. STL, Praha, 1976, vydání druhé upravné, 113 stran. [5] Fynman R. P., Lighton R.., Sands M.: Fynmanovy přdnášky z fyziky, Svazk 1,, 3. Vyd. Fragmnt Havlíčkův rod,, první čské vydání. [6] Kittl Ch.: Introduction to Solid Stat Physics. John Wily and Sons, w York, 1956, vydání druhé. [7] Lanhard R.: Fyzika polovodičů. ipolární tranzistor. Vyd.: O-Smiconductor, Rožnov p. R., 3. [8] Patočka M.: Vybrané statě z výkonové lktroniky, Svazk I., Tplné jvy a činný výkon. Skriptum VUT rno, FEKT, rno, vydání druhé. [9] Patočka M.: Vybrané statě z výkonové lktroniky, Svazk II., Měnič bz vf. impulsního transformátoru. Skriptum VUT rno, FEKT, rno, vydání druhé. [1] Patočka M.: Magntické jvy a obvody v výkonové lktronic, měřicí tchnic a silnoproudé lktrotchnic. VUTIUM, rno, 11, vydání první, 564 stran, IS 978-8- 14-43-6. [11] Patočka M.: Sinusová pulsní šířková modulac v střídavých pohonch s asynchronním motorm. Disrtační prác, VUT rno, FEI, 1993. [1] Vorl P., Patočka M.: udič výkonových tranzistorů MOS-FET a IGT. Elktronický časopis Elktrorvu, www stránky FEKT, VUT rno, 4.