J.Boušek 2. Uzemněné hradlo - závislost na změně parametrů

UMEL FEKT VUT V BRNĚ

J.Boušek / Elektronické součástky / P9

Unipolární tranzistory

Zesilovač s FET Zesílení: - maximální strmost převodní charakteristiky - režim “B“ - pro saturační režim (“B“) je třeba velké napájecí napětí - menší strmost než u BT (5mS / 50 mS) i v režimu “B“

Řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem: FET [Field - Effect Transistor] Proud přenášen jedním typem nosičů náboje (unipolární): - majoritní nosiče v inverzním kanálu - neuplatňuje se rekombinace minoritních nosičů - odolnost proti změnám teploty a ionizujícímu záření - zapínací a vypínací doby dány parazitními kapacitami - teplotně nezávislé ton a toff

FEKT VUT v Brně

ESO / P9 / J.Boušek

Výpočet pracovního bodu (viz numerické cvičení): - průsečík přímky a paraboly - řešení kvadratické rovnice - dvě řešení; vybereme správné Grafické řešení: - dostačující přesnost - názornější

1

FEKT VUT v Brně

FET - nastavení pracovního bodu


2

J-FET - nastavení pracovního bodu

a) Dělič je nezbytný pro IGFET s indukovaným kanálem (UP>0). b) Pro J-FET a IGFET s trvalým kanálem menší závislost na UP.

Uzemněné hradlo závislost na změně parametrů

c) Úbytek napětí na odporu RS nahrazuje “záporný zdroj“ pro UGS.

a)

c) FEKT VUT v Brně


3

FEKT VUT v Brně

J-FET - nastavení pracovního bodu – tř. A,B,C

FEKT VUT v Brně



4

J-FET - Teplotní závislost převodní charakteristiky

5

FEKT VUT v Brně

1


6



J-FET - Teplotní závislost převodní charakteristiky

Průrazy struktury MOS

Při velkém ID proud ID s teplotou klesá. Při malém ID proud ID s teplotou roste. ID může být v širokém teplotním rozsahu konstantní.

Průraz kanálu: - při velkém UDS - průraz kanálu lavinovou ionizací - u výkonových mechanické poškození pouzdra !!!

Strmost převodní charakteristiky s teplotou klesá: - pokles zesílení zesilovače s JFET - je možné paralelní řazení J-FET Vzrůst teploty

Průraz dielektrické vrstvy pod hradlem: - tloušťka menší než 1 µm - statickou elektřinou při manipulaci - při překročení UGSmax - “zkratovací“ pružinka mezi elektrodami - vícevývodové součástky – v antistatickém obalu - do přívodů ochranné rezistory a Zenerovy diody

pokles proudu pokles výkonové ztráty.

Podobná závislost je i u MOSFET !!! U bipolárních tranzistorů proud s teplotou roste !!!! FEKT VUT v Brně


7

FEKT VUT v Brně

Využití tranzistrorů FET


Speciální typy FET

Integrované obvody: - lepší využití plochy čipu - méně technologických operací – větší výtěžnost - výhodnější pro čislicové obvody, procesory, paměti - lineární – používáním aktivní zátěže se zvětší zesílení - CMOS – velmi malá spotřeba - J-FET – slučitelné s bipolární technologií

Dvoubázové MOS [dual - gate MOS]: - dvě rovnocenná hradla - řízené zesilovače - modulátory - směšovače - chová se jako tetroda

Diskrétní součástky: - spínače N-MOSFET - vf zesilovače (VMOS, MESFET, HEMT) - vf zesilovače, směšovače, modulátory (dvoubázový FET) - řízený odpor ( s vyvedeným substrátem)

FET s vyvedeným substrátem: - FET symetrická součástka - substrát B (bulk) bývá spojen s elektrodou S - vyvedený B – možnost nastavení potenciálu mezi S a D - výhodné pro zapojení řízeného odporu a spínače

FEKT VUT v Brně


8

9

FEKT VUT v Brně

MOS se dvěma hradly (double-gate FET)


10

FET pro vf a mikrovlnnou techniku

- malá průchozí kapacita mezi bází a kolektorem. - kaskódové spojení dvou jednoduchých systémů MOSFET, - řízení prvním hradlem je v ochuzovaném režimu - multiplikativní směšovače a nízkošumové zesilovače - mezní kmitočet 1 GHz

Krátký kanál + velká pohyblivost nosičů náboje. MESFET (MEtal Semiconductor FET): - hradlo = tenký (napařený) kovový pásek, L < 1 µm (!!!) - kontakt kov – polovodič (Schottkyho přechod) - fmax až 10 GHz pro Si ; fmax >10 GHz pro GaAs - šumové vlastnosti při vf lepší než u bipolárních tranzistorů HEMT (High Electron Mobility Transistor): - kanál je tvořen tenkou vrstvou "elektronového plynu" - pohyblivost elektronů větší než u tranzistorů MESFET - lepší frekvenční i šumové vlastnosti - větší strmost - menší technologická náročnost a nižší cena - výhodné pro vf aplikace

FEKT VUT v Brně


11

FEKT VUT v Brně

2


12



FET jako spínač

IGFET - zvýšení vodivosti kanálu

Vlastnosti spínače s FET: - majoritní nosiče (neuplatní se akumulace nosičů) - doba sepnutí/rozepnutí je určena (CGS+ CGD) a velikostí IG - IG ≈ 0,1 A ÷ 1A / 100 ns !!!!! - malý řídící příkon

Velký odpor kanálu

MOSFET (VDMOS): - pro UGS = 0 je spínač rozepnutý (UP ≈ 4 ÷ 5 V) - velké závěrné napětí (1000÷1200V) - menší náchylnost k průrazu - pro malé UDSmax malý RDSON - Pmax ≈ 150W/TO220 (250W/TO247) !!!! pozor na RTH !!! FEKT VUT v Brně


Kanál pouze v oblasti P (difúzí)

LATERAL

13

LATERAL DIFFUSED

FEKT VUT v Brně

IGFET - zvýšení vodivosti kanálu


14

Rozložení kanálu na ploše

Diskrétní tranzistory – výkonové – vysokofrekvenční a spínací:

Obrazce se liší podle výrobce – HEXFET (International Rectifier)

- kanál je rozprostřen po celé ploše čipu

VERTICAL DIFFUSED FEKT VUT v Brně

V- lept ESO / P9 / J.Boušek

15

FEKT VUT v Brně


16

Tranzistor IGBT

Vliv odporu kanálu na vodivostní ztráty IRF 740 (pro síťové napětí):

Struktura VDMOS

UDSmax = 400 V, IDmax = 8 A, RDSON = 0 ,55 Ω UDSON = RDSON . IDmax = 0 ,55 Ω . 8 A = 4,4 V

Emitor BT

PON = UDSON . IDmax = 4,4 V . 8 A = 35,2 W

Tyristor – možnost samovolného sepnutí !!!

Bipolární tranzistor : UCES = 1V PON = UCES . IC = 1 V . 8 A = 8 W

Problém: Vypnutí IB !! FET - menší dynamické ztráty, RDSON roste s UDSmax BT - menší vodivostní ztráty při napětí věším než cca 100 V

PNP bipolární tranzistor

Řešení – Tranzistor IGBT

VDMOS řídí proud báze BT nemůže být v saturaci !!!!

FEKT VUT v Brně


17

FEKT VUT v Brně

3


18



Vypnutí tranzistoru IGBT

Typy tranzistorů IGBT

Nosiče akumulované v přechodu BE nemohou být odvedeny: - proud ID po vypnutí neklesne na nulu

Podle doporučeného fMAX

- koncentrace akumulovaných nosičů se zmenšuje jen rekombinací

- S (standard) ; fMAX ≈ 3 kHz, UDS ≈ 1,5 ÷ 1,8 V (pro UDSMAX = 600V)

- ID e se exponenciálně zmenšuje po dobu 0,1µs ÷ 1µs

- F (fast) ;

fMAX ≈ 10 kHz, UDS ≈ 1,8 ÷ 2,0 V (pro UDSMAX = 600V)

- U (ultrafast) ; fMAX > 10 kHz, UDS ≈ 2,0 ÷ 2,2 V (pro UDSMAX = 600V)

Zavedení rekombinačních center do báze: - zmenšení proudového zesilovacího činitele β

Podle zapojení v obvodu

- je zapotřebí větší proud IB

- bez paralelní diody

- na VDMOS bude větší úbytek ( = větší vodivostní ztráty IGBT)

- s integrovanou paralelní diodou

Řešení :

- 600 V ;(900V); 1,2kV; 1,7kV; 3,3kV; 4.5kV; 6,5kV (!!)

Tranzistory se vyrábí ve skupinách podle doporučeného fMAX.

- 10A ÷ 2400A

FEKT VUT v Brně


19

FEKT VUT v Brně

Řízení tranzistorů FET a IGBT


20


UGS roste až po vybití CGD CGD – závislá na UDG (≈ UDD) - před sepnutím se musí vybít - vybíjí se přes obvod hradla

Vybíjení kapacity CGD

- náboj ≈ 101 nC

UDS klesá CGS (≈ nF)

Tranzistor převzal proud zátěže

- musí se nabít na UGS ≈ 12 V - náboj ≈ 101 nC

Tranzistor se otevře až při prahovém napětí FEKT VUT v Brně


21

FEKT VUT v Brně



Vstupní impedance tranzistorů FET Výkonový tranzistor : (CGS + CGD) ≈ 10-10 F (100 pF)

Příklad: Orientační výpočet řídícího proudu Uvažujeme pouze nabíjení CGS ≈ 1nF (UDS ≈ 0) UGS = 12 V ∆t = 100 ns

C=

XC =

∆U GS .C 12 .1.10 −9 = =0,12 A = 120 mA ∆t 100 .10 − 9

Pro UDS >> 0 se IG zvětší podle velikosti UDS (≈ UDD)

1 2πfC

1 1 = =0,159 .10 3 ≈ 160 Ω 6,28 .10 .10 6.1.10 −10 6,28 .10 − 3

FET:

∆UGS > 1V

∆IG ≈ 10 mA

BT:

∆UBE < 0,1V

∆IB ≈ 100 mA

Výkonové zesilovače:

IG ≈ (120 ÷ 300) mA FEKT VUT v Brně

XC=

Pro f ≈ 10 MHz :

∆ Q ∆ t .I G = ∆U ∆U GS

IG =

22

Pro f > 10 MHz jsou výhodnější bipolární tranzistory !!!!!!!!!!!!! ESO / P9 / J.Boušek

23

FEKT VUT v Brně

4


24



5

J.Boušek 2. Uzemněné hradlo - závislost na změně parametrů

Recommend Documents