Cap.8. Regimul de Comutaţie Al Dispozitivelor Semiconductoare

7/21/2019 Cap.8. Regimul de Comutaţie Al Dispozitivelor Semiconductoare

http://slidepdf.com/reader/full/cap8-regimul-de-comutatie-al-dispozitivelor-semiconductoare 1/5

DCE - Cap.8. REGIMUL DE COMUTAŢIE AL DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

Cap.8. REGIMUL DE COMUTAŢIE AL DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

8.1. INTRODUCERE

Prin regim de comutaţie (comutare) al unui dispozitiv semiconductor se înţelege regimul defuncţionare în care semnalul de comandă (curent sau tensiune) este un impuls sau o succesiune deimpulsuri. Un asemenea regim de funcţionare este întâlnit în aplicaţiile legate de formarea, generareaşi prelucrarea semnalelor sub formă de impuls.

a urmare a aplicării semnalului de comandă dispozitivul trece dintr!un punct static defuncţionare în alt punct static de funcţionare" se spune că dispozitivul comută. #acă în urma

procesului de comutare rezistenţa de curent continuu prezentată de dispozitiv între bornele la careeste conectată sarcina, a scăzut, comutarea poartă numele de comutar !"rctă. $n caz contrar,comutarea este denumită comutar "#$r%ă.

$n particular, în acest capitol se va înţelege prin comutare directă, comutarea din regiunea detăiere (blocare sau conducţie inversă) în regiunea de conducţie, iar prin comutare inversă, comutarea

din regiunea de conducţie în regiunea de tăiere.Parametrul principal care determină performanţele dispozitivului în regim de comutare este

t"mpu& ! comutar al dispozitivului. %şa cum se va vedea, acest timp este determinat de dispozitivulînsuşi prin intermediul unor parametri fundamentali legaţi de funcţionarea intimă a dispozitivului, dar şi de regimul electric (curenţi, tensiuni), deci de circuitul electric în care se realizează comutarea.

$n regim de comutaţie condiţia de semnal mic nu este în general îndeplinită" dispozitivullucrează la semnale mari deci într!un regim puternic neliniar. $n plus, semnalul de comandă variazăfoarte rapid în timp. #in acest motiv calculul e&act al timpilor de comutare este foarte dificil,

preferându!se de aceea un compromis între dificultate şi precizia de calcul. %cest compromis seobţine prin utilizarea unor modele simplificate pentru dispozitiv.

'impii de comutare se definesc pornind de la răspunsul în timp al

dispozitivelor la semnalul de comutare. Pentru răspunsul dinfigura . se definesc*

ti+t−t ! timpul de întârziere la comutarea directă"tc+t-−t ! timpul de creştere"tcd+t-−t ! timpul de comutare directă"t+t/−t0 ! timpul de întârziere la comutarea inversă"td+t1−t/ ! timpul de descreştere"tci+t1−t0 ! timpul de comutare inversă (trr).

75




8.2. REGIMUL DE COMUTAŢIE AL DIODELOR SEMICONDUCTOARE

2a toate diodele comutaţia directă este mult mai rapidă decât comutaţia inversă şi de aceeacaracterizarea diodelor în regim de comutaţie se face numai prin intermediul timpului de comutaţieinversă.

'impul de comutare poate fi redus prin*− reducerea timpului de viaţă a purtătorilor minoritari"

− reducerea capacităţii de barieră"− reducerea timpului de evacuare a sarcinii prin concentrarea purtătorilor minoritari de

sarcină în vecinătatea regiunii de trecere.Pentru reducerea timpului de viaţă se introduc în regiunile neutre ale 3oncţiunii atomi de

impuritate care 3oacă rol de centre de recombinare. Pentru 3oncţiunile din siliciu este folosit în acestscop aurul. apacitatea de barieră se reduce prin reducerea ariei 3oncţiunii (e&emplu* dioda cucontact punctiform).4 comportare importantă pentru aplicaţii practice o are aşa numita !"o!ă cu %arc"#ă %tocată la careîn procesul de comutare inversă, după intervalul de timp t în care curentul este constant urmează oscădere foarte abruptă a curentului (fig...a). %cest lucru se obţine prin crearea, în procesulte5nologic, a unui câmp electric intern care constrânge purtătorii minoritari să rămână în apropierea

3oncţiunii metalurgice, astfel ca la comutarea inversă să poată fi uşor evacuaţi.Pentru obţinerea unor performanţe net superioare în ceea ce priveşte timpul de comutare trebuierealizate diode în care să nu e&iste efect de stocare de purtători minoritari. %cestea sunt diodele cu

purtători ma3oritari, adică diodele în care curentul electric este datorat numai purtătorilor ma3oritari.#in această categorie face parte contactul redresor metal!semiconductor (dioda c5ott67) şi diodatunel (la dioda tunel curentul este datorat purtătorilor ma3oritari numai în domeniul tensiunilor maimici decât tensiunea Uv). 2a aceste diode timpul de comutare este datorat în principal capacităţii de

barieră.

8.3. REGIMUL DE COMUTAŢIE AL TRANZISTOARELOR BIPOLARE

Procesele fizice care au loc la comutarea tranzistoarelor bipolare sunt similare celor de lacomutarea diodelor semiconductoare şi anume în urma aplicării unui semnal pentru comutareadirectă are loc un proces de acumulare de purtători minoritari în regiunile neutre ale tranzistorului,iar la aplicarea semnalului pentru comutarea inversă are loc procesul de evacuare a acestor purtători.'impii de comutare sunt determinaţi în principal de acest proces.

Fi. 8.1. #efinirea timpilor de comutare pentru un e&emplu de răspuns aldispozitivelor la un semnal sub formă de impuls.

Fi. 8.2. 8ariaţia în timp a curentului lacomutare inversă* a) prin dioda cusarcină stocată" b) prin dioda normală.

7!




$n regim activ normal de lucru, are loc in3ecţia de purtători minoritari doar la 3oncţiuneaemitor!bază. #eoarece regiunea bazei este mai slab dopată cu impurităţi decât regiunea emitoruluirezultă că sarcina de purtători minoritari in3ectată în emitor este mult mai mică decât sarcina de

purtători minoritari in3ectată în bază, astfel încât procesele de comutare vor fi determinate în principal de sarcina de purtători minoritari din baza tranzistorului.

$n regim de saturaţie, întrucât ambele 3oncţiuni sunt polarizate direct are loc in3ecţia la ambele 3oncţiuni. 2a tranzistoarele la care regiunea colectorului este slab dopată cu impurităţi, sarcina de purtători minoritari in3ectată din bază în colector poate fi comparabilă cu sarcina in3ectată dincolector în bază, astfel că va trebui sa fie luată în consideraţie. 2a tranzistoarele cu colector puternicdopat cu impurităţi, sarcina in3ectată din bază în colector este redusă astfel încât procesele de

comutare sunt determinate numai de sarcina din bază. #in această ultimă categorie fac partetranzistoarele aliate şi tranzistoarele planar!epita&iale, iar din prima categorie fac parte tranzistoareledifuzate, neepita&iale (mesa, planare). $ntrucât în tranzistoarele moderne pentru comutaţie(planar!epita&iale) sarcina de purtători minoritari acumulată în regiunea colectorului în regim desaturaţie este negli3abilă faţă de sarcina din bază, în analiza regimului de comutaţie al tranzistorului se

va ţine seama numai de sarcina din bază.Pentru reducerea timpului de comutare directă este avanta3oasă comutarea în regiunea de

saturaţie. Prin aceasta se măreşte însă timpul de comutare inversă cu timpul de stocare. #easemenea, pentru reducerea timpului de comutare inversă este necesar un curent de bază invers devaloare cât mai mare. 9ezultă atunci că pentru reducerea timpilor de comutaţie, deci pentruaccelerarea comutării tranzistorului ar fi necesară pentru curentul din bază, o variaţie de tipul celeidin figura .-.%mplitudinea saltului de valoare :;< trebuie să fie suficient de mare pentru a se obţine timpul decomutaţie directă dorit iar durata lui cel puţin egală cu timpul de comutaţie. urentul :< trebuie săasigure menţinerea punctului de funcţionare a tranzistorului în apropierea regiunii de saturaţie

incipientă pentru a se profita de avanta3ele prezentate de intrarea tranzistorului în saturaţie (tensiunereziduală mică, deci amplitudine mare a semnalului de ieşire, putere disipată mică), dar şi pentru areduce timpul de stocare. urentul de bază :< trebuie să asigure comutarea inversă a tranzistoruluiîntr!un timp impus.

Fi. 8.3. 8ariaţia în timpideală, a curentului de bază

pentru reducerea timpilorde comutare aitranzistorului.

77




Practic, o formă de undă apropiată de cea ideală pentru curentul de comandă se obţine cu circuituldin figura .0.a când la intrare se aplică un impulsdreptung5iular (fig. .0.b) de la un generator desemnal cu rezistenţa internă 9 g.

Fi. 8.". ircuit practic pentru accelerarea comutării tranzistorului* a) sc5ema de principiu"

b) semnalul la intrarea circuitului"c) variaţia în timp a curentului de bază.

Un alt circuit este prezentat în figura ./. $ntrucât dioda este un dispozitiv neliniar şi atunci când estedesc5isă, prin ea se aduce de la ieşire spre intrare un semnal (reacţie negativă), circuitul poartădenumirea de c"rcu"t ! comutar #%aturat cu rac'" #(at"$ă #&"#"ară.

#acă U<=>? dioda # este blocată şi nu e&istă reacţie negativă. ând i< creşte, U< devine +>? ,dioda # se desc5ide şi i este limitat la valoarea corespunzătoare saturaţiei incipiente (alegând > ?

astfel încât U< + >? ! U# + U>sat.incipientă). $n practică circuitul din figura ./ este înlocuit prin celdin figura .1, cu funcţionare similară, dar fără să mai necesite bateria suplimentară >?. Pentru catimpul de întârziere să fie determinat doar de către tranzistor, este necesar ca dioda să prezinte oinerţie mică la comutarea inversă. #in acest motiv în aceste circuite trebuiesc utilizate diode decomutaţie, cu timp de comutare foarte redus. Pentru a se obţine timpi de comutare reduşi într!uncircuit dat, trebuiesc folosite tranzistoare cu capacitate de barieră cât mai mică, cu timp de viaţă

pentru purtătorii minoritari cât mai mic şi baza de grosime cât mai mică. apacitatea de barieră a 3oncţiunii colectorului (care contează în principal) se poate reduce prin realizarea unor tranzistoarecu colector de arie mică sau prin realizarea unor tranzistoare în care regiunea colectorului (înîntregime, cum este cazul tranzistoarelor planare sau doar parţial, cum este cazul tranzistoarelor

planar!epita&iale) are rezistivitate mare. 'impul de viaţă se reduce prin doparea regiunii bazei şi

Fi. 8.!. ircuit practic cu reacţienegativă neliniară

pentru evitarea pătrunderii punctuluide funcţionare înregiunea de saturaţie.

Fi. 8.5. ircuit cureacţie negativăneliniară pentruevitarea pătrunderii

punctului defuncţionare în regiuneade saturaţie.

78




regiunii colectorului cu aur ca şi în cazul diodelor semiconductoare. Performanţele cele mai bune înregim de comutaţie se obţin cu tranzistoare planar!epita&iale dopate cu aur" le urmează tranzistoarele

planare, mesa şi apoi tranzistoarele aliate. $n cataloagele de tranzistoare, performanţele în regim decomutaţie se e&primă prin timpii de comutaţie într!un anumit circuit.

'ranzistoarele bipolare de putere lucrează de obicei în comutaţie. @u se lucrează în zona

activă, deoarece sunt pierderi mari. 2a frecvenţe mari de comutaţie se evită saturarea adâncă pentrumicşorarea timpului de blocare t4??. <locarea tranzistorului se face prin negativarea curentului de bază. ircuitele de comandă pe bază trebuie să asigure un curent :<=A pentru blocare şi un curent:<BA pentru desc5idere.

8.". REGIMUL DE COMUTAŢIE AL TRANZISTOARELOR CU EFECT DE C#MP

'>!urile au un timp de comutaţie redus (zeci de nanosecunde) în comparaţie cu durata procesului tranzitoriu al tensiunii de drenă determinate de capacităţile parazite din sc5emă, astfelîncât la calculul duratei proceselor tranzitorii a circuitelor '> se poate negli3a uneori timpul decomutare propriu al tranzistorului.

9egimul de comutaţie al C?>'!ului este determinat de capacităţile (neliniare) de barieră alecelor două 3oncţiuni ce delimitează canalul şi de rezistenţele sursei de semnal.Procesele tranzitorii la comutaţia D4?>' sunt complicate de faptul că intervin capacităţi

variabile şi generatoare de curent ce variază neliniar cu tensiunile pe tranzistor. 'impii de comutaţiesunt foarte mici, valorile lor fiind determinate de capacităţile parazite ce apar între electroziitranzistorului ca urmare a structurii acestuia. $n conducţie, datorită funcţionării tranzistorului în zonao5mică, 8#4@ este mai mare comparativ cu tranzistorul bipolar. #e aici şi pierderile de putere înconducţie sunt mai mari. Pentru a micşora timpul de intrare în conducţie trebuie să se asigure ocreştere mai rapidă a tensiunii 8E, adică d8EFdt cât mai mare. Pentru blocare se utilizează şi !8EE înscopul forţării descărcării condensatoarelor parazite. %vând tensiune negativă pe poartă, :înregistrează un vârf negativ şi curentul de grilă se stabileşte la A. 2a tranzistorul D4?>' cu canal

p timpii de comutaţie sunt mai mari ca la cel cu canal n, datorită valorilor mai reduse pentrumobilitate şi pentru viteza ma&imă a golurilor în comparaţie cu cea a electronilor.'ranzistoarele D4?>' de putere lucrează de obicei în comutaţie. omanda se realizează pe

poartă, deci în tensiune. Erila este un condensator care se încarcă aplicând o tensiune, iar peste un potenţial de prag tranzistorul se desc5ide. aracteristicile dinamice sunt prezentate în figura .G.

Fi. 8.7. D4?>'C

C

GD

GD

,

)

)A< , E este constant şi nu depinde de 8E

'ranzistorul bipolar cu baza izolată (:E<') fiind un tranzistor 5ibrid, îmbină avanta3eleD4 cu cele ale tranzistorului bipolar (<C'), D4?>' având comutaţie rapidă şi comandă întensiune, iar <C' având curenţi mari, tensiune de blocare mare, pierderi mici în conducţie.omparativ t4?? :E<' B t4?? D4 , t4?? :E<' = t4?? <C' , P4@ <C' = P4@ :E<' = P4@ D4" t4@ :E<' + t4@ D4 .

7$

E#

E#

9 #(4@)

E

#

ideal

real

8E

+8#

E#

E#

E#

8#

Cap.8. Regimul de Comutaţie Al Dispozitivelor Semiconductoare

Documents

Transcript of Cap.8. Regimul de Comutaţie Al Dispozitivelor Semiconductoare