- elektromos szempontból az anyagokat három csoportra oszthatjuk: vezetők félvezetők szigetelő anyagok

Átírás

1 lektro- és irányítástechnika. jegyzet-vázlat 1. Félvezető anyagok - elektromos szempontból az anyagokat három csoportra oszthatjuk: vezetők félvezetők szigetelő anyagok - vezetők: normál körülmények között rendelkeznek szabad elektronokkal (- vegyértékű fémek, Cu, Al, Fe, stb.) - félvezetők: bizonyos körülmények között vezetővé válhatnak (V vegyértékű anyagok, e, Si) - szigetelők: nem rendelkeznek szabad elektronokkal - kémiai szerkezetűk, energiasávok C V < 0,2eV C V = 0,7-1,2eV C V >1,5eV Vezetési sáv Tiltott zóna vezetők 1eV = 1, J félvezetők szigetelők Vegyérték sáv - a félvezetők esetében ahhoz, hogy egy elektron kiszabaduljon a vegyérték sávból és szabad elektronná váljon, kellő energiával kell rendelkezzen. l. hő hatására. - intrinsik vezetés: egyes elektronok a vegyérték sávból a vezetési sávba kerülnek. Helyükön lyuk (elektron hiány) keletkezik. zeket a lyukakat elfoglalhatják más elektronok. Szabad elektron Si Si Si lyuk Si Si Si Si Si Si - energia hatására a kovalens kötések felszakadhatnak és elektron-lyuk pár keletkezik. - rekombináció: amikor megszűnik a vezetés és a lyukak helyét elektronok foglalják el.

2 1.1 Szennyezett félvezetők - szennyezés V illetve vegyértékű anyaggal - V vegyértékű anyagok: foszfor (), arzén (As), biszmut (Bi) - vegyértékű anyagok: bór (B), alumínium (Al), gallium (a) típusú szennyezés Si Si Si lyuk Si Si Szabad elektron Si Si Si - - típusú szennyezés: donor atom az öt vegyértékű foszfor; - donor típusú szennyezés; - -típusú félvezetőt kapunk; a többségi töltéshordozók az elektronok típusú szennyezés Si Si Si lyuk Si B Si Si Si Si - - típusú szennyezés: akceptor atom a három vegyértékű Bór; - akceptor típusú szennyezés; - - típusú félvezetőt kapunk; a többségi töltéshordozók a lyukak - A szennyezet félvezetőkben feszültség hatására a többségi töltéshordozóknak köszönhetően (elektronok és a lyukak rendezett mozgása) áram jön létre

3 1.2. Félvezető diódák - és típusú félvezető alkotja típusú félvezető típusú félvezető típusú félvezető típusú félvezető záróréteg - A határréteg szomszédságában átmenti réteg alakul ki. zt zárórétegnek nevezzük. A kialakult záróréteg feszültség iránya megakadályozza a további töltéshordozók átvándorlását a szomszédos tartományból. Z Anód Katód Anód (+) Katód (-) A záróréteg feszültség Si alapú félvezetőnél Z 0,6 V A átmenet viselkedése feszültség hatására Z Anód + AK a + (anód áram) A záróréteg összeszűkül Z Katód a) AK > 0; AK >> Z a > 0 A dióda kinyit, rajta keresztül anód-katód irányban áram halad át. zt anód áramnak nevezzük. Anód A záróréteg kiszélesedik AK Katód b) AK < 0; A záróréteg kiszélesedik, a dióda lezár és rajta keresztül áram nem halad. (csak nagyon kicsi un. inverz irányú maradékáram) a = 0 Z A félvezető dióda jelleggörbéje (karakterisztikája) Jelleggörbe: az eszköz működését leíró matematikai függvény Jelen esetben: D = f( D )

4 A dióda nyitó- és zéróirányú áramköri kapcsolása - differnciál ellenállás: D r d = D D D Feladat: Mekkora a diódán áthaladó áram nagysága, ha a táplálási feszültség 12 V, a diódával sorosan kapcsolt ellenállás értéke pedig 270 Ω? 1.3. Zener diódák (stabilizátor diódák) - Különleges záróréteg tulajdonságokkal (alacsony letörési feszültség) rendelkező diódák, amelyek az inverz irányú letörési tartományt használják aktív tartományként. yitó irányban ugyanúgy viselkednek, mint az egyenirányító diódák. - Jelölések: Anód Katód Anód Katód

5 - Jellemző értékek: o Zener feszültség: Z o Zener áram: Z o Differenciál ellenállás: r Z o Minimális Zener áram: Zmin o Maximális Zener áram: Zmax (kritikus érték) o Hőmérsékleti tényező: α Z Fontosabb Zener feszültség értékek (Zener diódák): 4,7 V; 5,1 V; 5,6 V; 6,2 V; 6,8 V; 7,5 V; 9 V; 12 V; 15 V Feladat: gy 6,8 V-os Zener diódát 12 V fezsültségről táplálunk. Határozzuk meg a sorosan kapcsolt ellenállás értékét úgy, hogy a Zener áram 24 ma legyen! Mekkora értékű lehet az a minimális terhelő ellenállás, amelynél még a stabilizáló hatás érvényesül, ha a minimális Zener áram 5 ma? 1.4. Bipoláris tranzisztor - Háromrétegű félvezető eszköz - -- vagy -- típusú tranzisztorok - Kivezetései: - emitter (), bázis (B), kollektor (C) - Két záróréteg (-átmenet)alakul ki: B és BC - ormál működés esetében a B záróréteg direkt (nyitó irányú), míg a BC záróráteg inverz (záró irányú) feszültséget kap. - tranzisztor: - többségi töltéshordozók a lyukak - tranzisztor: - többségi töltéshordozók az elektronok - áramok közötti összefüggés: = + ; B << C - Működési elv: kismértékű bázisáram változás nagy kollektoráram változást idéz elő. B emitter áram B bázis áram C kollektor áram C - legfontosabb jellemző mennyiség az áramerősítési tényező (β) C β = B

6 - Alapkapcsolások: közös bázis (a), közös emitter (b) közös kollektor (c) - Jellemző feszültség értékek: - B bázis-emitter feszültség, - C kollektor-emitter feszültség, - BC bázis-kollektor feszültség. A tranzisztor jelleggörbéi: - bemeneti jelleggörbe (a): B = f( B ), C - állandó - kimeneti jelleggörbe (b): C = f( C ), B - állandó - Munkapont beállítás, munkaegyenes, - A tranzisztor áramkörbe kapcsolása - bázisosztóval ( 1, 2, 0 >> B ) 2 T = B = + + T C0 C C bázisellenállással ( 1 ) B = T B0 1 0 = + + T C0 C C0 0

7 2. nipoláris (térvezérlésű) tranzisztorok - a tranzisztor áramát csak egy fajta töltéshordozó (vagy elektron, vagy lyuk) biztosítja, - az elektromos tér változása idéz elő áramváltozást - rövidítés. FT (Field ffect Tranzistor) - működési elve: egy félvezető csatorna ( vagy típusú) vezetőképességének változtatása külső elektromos tér segítségével. - A kapuelektróda felépítése szerint:- záróréteges (JFT) - szigetelt kapuelektródás (MOSFT) 2.1. JFT tranzisztorok - és csatornás változat; - 3 kivezetés: gate (kapu), D drain (nyelő), S source (forrás). - felépítés Működés: DS > 0 feszültséget a tranzisztor D és S-re. Ha = 0 V, a csatorna ekkor a két átmenet zéróirányú polarizálást kap, de a csatorna ekkor a legszélesebb, vagyis az D áram ekkor lesz a legnagyobb. Ha kapura < 0 V negatív feszültséget kapcsolunk a csatorna szélessége szűkülni fog, vagyis csökkenni fog a draináram, míg egy adott értéknél ( küszöbérték) teljesen lezár. D = DS (1 S 2 ) - DS a draináram csúcsértéke S = 0 V-nál - lzáródás mentes tartomány: DS k ; D arányosan növekszik az DS - el. (telítődés) - lzáródásos tartomány: DS k ; D nem függ DS -től

8 Jellemző értékek: - küszöbfeszültség: p = -1,5 V -4,5 V - meredekség (S): - adott S feszültség változás milyen D draináram változást idéz elő D S = - - differenciál ellenállás: r S DS DS = - tipikus érték: kΩ D - Bemeneti ellenállás: r S = Ω - A záróirányú áramok nagyon kicsik mivel nagyon kevés a kisebbségi töltéshordozó: 0 5nA D0 20nA - határértékek: DSmax = 30V, Smax = -20V, Dmax = 25mA, totmax = 300mW 2.2. MOSFT tranzisztorok (Metal-Oxid-Semiconductor) - Két típus: növekményes (önzáró) és kiürítéses (önvezető) - Mindkét típusból és csatornás változat is van. csatornás növekményes MOSFT - Felépítés: - gyengén szennyezett típusú szubsztrát rétegbe két helyen erősen szennyezett + szigetet alakítanak ki. D és S csatlakozókkal látják el. A szubsztrátot még a tokon belül összekötik az S-el. A két sziget közötti részen a szubsztrátot jól szigetelő SiO 2 réteggel vonják be, majd ezt fémréteggel vonják be. z lesz a kivezetés. - Működés: ha a kapu () elektróda szabadon van (nem kapcsolunk rá feszültséget), bármilyen polaritású feszültséget is kapcsolunk a D és S-re a tranzisztor zárva marad. - Ha a -re pozitív feszültséget kapcsolunk, a keletkező elektromos tér hatására a szbsztrátban lévő kisebbségi töltéshordozók vagyis az elektronok a gate irányába vándorolnak és egy típusú csatornát indukálnak a D és S között. Áram jön létre a D- S között, amely arányos lesz az S feszültséggel.

9 - Mivel a vezérlést elektromos tér hozza létra, áram gyakorlatilag nincs vagyis teljesítményfelvétel nélkül tudjuk a draináramot vezérelni. - jelleggörbe csatornás kiürítéses MOSFT Kialakítása hasonló az előzőhöz, csak itt SiO 2 réteg alá vékony, gyengén szennyezett csatornát alakítanak ki. kkor, ha feszültséget kapcsolunk a DS-re a D-S között áram jön létre ha a gatere semmilyen feszültséget sem kapcsolunk. Vezérlése mind pozitív, mind negatív feszültséggel lehetséges. nnek megfelelően két üzemmódban működhet: - dúsításos ( S > 0; növekszik a draináram) - kiürítéses ( S < 0; csökken a draináram) kiürítés dúsítás

10 Munkapont, munkaegyenes (FT) S 0 = (1 D0 DS ) S S0 D0 = p D0 (1 D0 DS ) T D = = DS0 T + D0 D0 DS0 ( D S + S ); - az 1 gate ellenállást 1 10MΩ nagyságúra választható Feladat: Határozzuk meg a fenti JFT áramkör munkapont-beállító elemeit ( D, S, 1 ), ha: T = 18V DS0 = 9V DS0 = 2mA DS = 10mA p = -3V 3. égyrétegű félvezetők 3.1 Tirisztorok - 3 záró réteggel rendelkezik - teljesítményelektronikai eszköz; nagyteljesítményű kapcsoló - felépítés: --- félvezető réteg, közöttük 3 záró réteg (.;.;.) A K... Jelölés: A K - működés: o két eset szerint vizsgáljuk: A-K pozitív feszültség A-K negatív feszültség

11 1) AK < 0 (negatív) A A b. = 0. kiszélesedik. nyit. kiszélesedik A = 0 (nem vezet) a. > 0. kiszélesedik. nyit. nyit A = 0 (nem vezet) K - negatív anódfeszültség esetében a tirisztort semmilyen körülmények között nem tudjuk gyújtani. 2) AK > 0 (pozitív) K A a. = 0. nyit. kiszélesedik. nyit A = 0 (nem vezet) A b. = 0 AK = B0. nyit. nyit. nyit A > 0 (vezet) K K A c. > 0. nyit. nyit. nyit A > 0 (vezet) K

12 - jelleggörbe: A = f( AK ) - letörési feszültség (kritikus érték) - M rövid ideig tartó, ismételhető maximális negatív zárófeszültség - H fenntartási áram - H tarófeszültség - gyujtófeszültség - kapuáram vagy gyújtóáram (5-10mA) - B0 billenési feszültség ( = 0 gyujtófeszültségnél) - 2 > 1 > 0 - gyújtóáramok A tirisztor megfelelő polaritású anód-katód feszültség mellett, akár rövid ideig tartó gyújtófeszültséggel vezetési (nyitott) állapotba hozható. Kiontása kapufeszültséggel nem lehetséges. A tirisztor kioltása csak akkor lehetséges, ha az anódáramot lecsökkentjük a fenntartási áram értéke alá. -a kioltás feltétele: A < H - alkalmazás: pl. vezérelt egyenirányító u 1 (t) ~ t T α =30º minimális gyújtási szögnél az anódáram () maximális α =150º maximális gyújtási szögnél az anódáram () minimális 30º α 150º

13 3.2. Triak (kétirányú titisztordióda) - két ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztor egy tokozatban - mindkét irányban vezeti az áramot A1 K2 A1 1 K1 A2 2 A2 A1 A2 - működés: A1-2 0 =0 A = 0 a triak M VZT 1) A1A2 > 0 2) A1A2 > 0 3) A1A2 < 0 4) A1A2 < 0 > 0 < 0 > 0 < 0 A > 0 (vezet) A > 0 (vezet) A < 0 (vezet) A < 0 (vezet) - jelleggörbe: - szimmetrikus jelleggörbe

14 - alkalmazás: váltakozó áramú teljesítményszabályozó u 1 (t) ~ t T α =30º minimális gyújtási szögnél az anódáram () maximális α =150º maximális gyújtási szögnél az anódáram () minimális 30º α 150º A triakon áthaladó áram váltakozó áram, tehát a triak nem egyenirányít!