I. Przełączanie diody

Transkrypt

1 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 I. Przełączanie diody 1. Trochę eorii an przejściowy pomiędzy sanem przewodzenia diod, a sanem nieprzewodzenia opisuje się za pomocą parameru/ów czasowego/ych. Mamy więc najprosszy elemen półprzewodnikowy (dwójnik), kóry powinniśmy opisać za pomocą akiego parameru czasowego, aby w oparciu o jego warość, można było dokonać szybkiego wyboru elemenu najbardziej odpowiedniego do naszej aplikacji. Wybrany paramer winien być jednoznacznie opisany. W sposób jednoznaczny określone muszą być warunki jego pomiaru (czyli; zawsze należy porównywać jabłka z jabłkami ). Preferowaną meodę pomiaru zawsze wybiera użykownik. kukiem ego, o samo zjawisko fizyczne będzie inaczej oceniane przez elekronika, inaczej przez fizyka, jeszcze inaczej przez informayka. Tak więc, o samo zjawisko fizyczne (szybkość zaniku nośników prądu w diodzie): elekronik określi za pomocą parameru off (czas wyłączania), fizyk określi za pomocą parameru B (czas życia), informayk (program PE) określi za pomocą parameru TT (czas przelou). ą o oczywiście różne paramery, chociaż doyczą ego samego zjawiska fizycznego. ależy również wyraźnie swierdzić, że nie ma pomiędzy ymi paramerami jednoznacznych zależności. Tym niemniej, każda perspekywa ma swoje zaley. Perspekywa elekronika jes ważna ze względu na ławość weryfikacji, perspekywa fizyka w sposób jednoznaczny opisuje właściwości samego maeriału półprzewodnikowego, naomias perspekywa informayka w sposób syneyczny opisuje właściwości złącza. Obejmuje ona nie ylko czas życia nośników, lecz również procesy rekombinacji na konakach oraz efeky związane z ograniczoną długością bazy złącza P W ćwiczeniu nr 3 doyczącym efeków dynamicznych przełączania diody skoncenrowano się na pomiarach czasu życia i czasu przelou nośników. Poniżej, na rysunku 1 przedsawiono schemaycznie diodę półprzewodnikową P oraz rozkład nośników nadmiarowych w bazie ( - ) przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. W związku z ograniczoną długością bazy (obszar - ) nie wszyskie nośniki nadmiarowe ulegną rekombinacji w jej obszarze. Pewna część nośników ulegnie rekombinacji dopiero w warswie konakowej ( + ). Już en fak sprawia, że dokładne wyznaczenie czasu życia nośników jes rudne. Dla przeprowadzenia dokładnego pomiaru czasu życia nośników obszar ( - ) winien rozciągać się do nieskończoności. Ponieważ w prakyce jes o niemożliwe, za warunek wysarczający przyjmuje się jeżeli długość bazy ( - ) jes wielokronie większa od średniej drogi dyfuzji nośników mniejszościowych, a efeky związane z przemieszczeniem się ładunków w obszarach konakowych są pomijane. ajkorzysniejsze są więc akie meody, gdzie efeky związane ze zjawiskami konakowymi są wyeliminowane np. meoda generacji nośników nadmiarowych za KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

2 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 pośrednicwem błysków świelnych połączona z obserwacją zaniku przewodnicwa. Meoda a jes sosowana przy ocenie jakości wafli. łuży między innymi do oceny ilości defeków. ys. 1. ozkład koncenracji nadmiarowych nośników w bazie i warswie konakowej 2. Pomiar czasu życia nośników mniejszościowych. W ćwiczeniu do oceny czasu życia zasosujemy meodę mniej doskonałą (nieuchronne zjawiska konakowe) polegającą na pomiarze zaniku napięcia na diodzie po rozwarciu obwodu polaryzującego diodę (Open Circui Volage Decay OCVD). Przy nagłym odłączenia obwodu polaryzacji diody nadmiarowe nośniki mniejszościowe znajdujące się w obszarze bazy diody ( - ), skukiem procesu rekombinacji będą zanikać według funkcji: n n ( ) ( 0 ) e (1) gdzie, sała czasowa, czyli czas po kórym koncenracja nośników nadmiarowych maleje aomias równanie: e-razy. n ( n ( 0 ) e określa warość wewnęrznego prądu rekombinacji. KATEDA ELEKTOIKI AGH ver ) Z drugiej srony, zależność pomiędzy prądem (I D ), a napięciem na diodzie (U D ) określa wzór (hockleya): gdzie: I prąd nasycenia, I D U n D q kt U n D I ( e 1) I e (3) n współczynnik emisji (nieidealności) złącza, q ładunek elekronu, k sała Bolzmana, T emperaura. q kt (2)

3 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 Załóżmy hipoeycznie, że po pewnym czasie, od chwili rozwarcia obwodu, chcemy powsrzymać dalszy zanik nośników mniejszościowych w obszarze bazy. W ym celu należałoby na diodę w ym właśnie momencie przyłożyć pewną warość napięcia U 1, aką kóra spowoduje przepływ zewnęrznego prądu kompensującego wewnęrzny prąd rekombinacji. Zaem: 1 U n 1 n ( 1) n( 0) e I e Analogiczne równanie można zapisać dla innego momenu czasowego 2, a po podzieleniu przez siebie obu równań orzymamy: e e q( U1 U2 ) nkt 1 2 Zaem, sała czasowa może być określona za pomocą wzoru: n kt (6) q U Określa ona wypadkowy czas życia, uwzględniający wpływ czasu życia nośników mniejszościowych w warswie konakowej. Dla krókiej bazy wynik pomiaru zbliżony jes do czasu życia nośników w warswie konakowej. Dokonując pomiarów sałej czasowej zauważymy, że na podsawie oscylogramu można wyznaczyć również drugą sałą czasową, kóra określa czas życia w słabo domieszkowanym obszarze bazy ( - ). Zjawisko o wyjaśnia rysunek poniżej (rys. 2). Współczynnik emisji (nieidealności) n można wyznaczyć w oparciu o pomiary sayczne. q kt (4) (5) ys. 2. posób pomiaru czasu życia nośników 3. Czas przelou nośników mniejszościowych. W programie przeznaczonym do symulacji układów elekronicznych PE właściwości diody w dziedzinie czasu określa paramer TT nazywany czasem przelou (ransi ime). Jak sama nazwa sugeruje określa on czas przejścia nośników mniejszościowych przez pewien obszar, uaj KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

4 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 - bazy. Przyjęcie ego erminu ma swoje uzasadnienie, ponieważ długość bazy ma znacznie silniejszy wpływ na wielkość ładunku nośników mniejszościowych, aniżeli czas życia nadmiarowych nośników mniejszościowych. Ładunek nośników nadmiarowych, kóry głównie zgromadzony jes w słabo domieszkowanym obszarze bazy ( - ), jes wpros proporcjonalny do naężenia przepływającego przez diodę prądu w kierunku przewodzenia (I F ) oraz czasu przelou nadmiarowych nośników mniejszościowych: TT (7) I F Jeżeli nagle zmienimy kierunek przepływającego przez diodę prądu (zmiana polaryzacji przewodzącej na zaporową), o zgromadzony ładunek będzie zanikać wskuek dwóch czynników: wewnęrznego prądu rekombinacji po dojściu nośników do warswy konakowej, zewnęrznego prądu polaryzacji. Zmianę ładunku wskuek ych czynników wyraża wzór poniżej: TT Po zróżniczkowaniu równania (8) orzymamy: TT 2 2 I ozwiązaniem równania (9) jes funkcja w posaci: asępnie po podsawieniu (10) do (8) orzymamy: TT 0 ( ) A e B (10) B I (11) W momencie zmiany kierunku prądu czyli w czasie =0 (warunek począkowy): Zaem, Osaecznie orzymujemy: TT I F Ae A I I ) TT F TT TT I ależy eraz ylko obliczyć czas po kórym () jes równe zero: (8) (9) (12) ( (13) F TT ( ) TT ( I I ) e TT I (14) I I F TT ln (15) I Zależność (15) umożliwia obliczenie czasu przepływu prądu przez diodę po nagłej zmianie polaryzacji diody z normalnej na rewersyjną. W oparciu o zmierzony czas magazynowania ( s ), KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

5 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 równanie o, pozwala określić czas przelou nośników mniejszościowych. Pokazuje również jak dodakowy prąd rewersyjny może przyspieszyć proces wyłączania diody. posób pomiaru czasu magazynowania wyjaśnia rysunek 3. ys. 3. posób pomiaru czasu magazynowania Przygoowując o moje widzimisię korzysałem za nasępujących pozycji: 1. Lifeime Facors in ilicon, American ociey for Tesing and Maerials, 1980, 2. Jacek Izydorczyk, Pspice- kompuerowa symulacja układów elekronicznych, HELIO, ZbigMag KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

6 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 II. Przełączanie ranzysora bipolarnego 1. Wsęp ormalnym sanem pracy ranzysora bipolarnego są akie warunki pracy, że w sanie spoczynkowym, czyli bez sygnału wejściowego, warość prądu kolekora jes równa połowie maksymalnej warości prądu kolekora w danym układzie aplikacyjnym. Dzięki emu możliwe jes wywołanie zarówno dodanich przyrosów prądu kolekora jak i ujemnych przyrosów (zmniejszenia warości) w zależności od sygnału wejściowego. Ten ryb pracy ranzysora (nazywany klasą A) zapewnia najmniejszy sopień zniekszałceń wzmocnionego sygnału wejściowego. osowany jes w większości wzmacniaczy sygnałowych oraz wzmacniaczy pomiarowych. Cechą charakerysyczną ego ypu pracy jes fak, że niezależnie od ampliudy sygnału wejściowego w kolekorze ranzysora racona jes energia, kóra przekracza warość maksymalnej energii, kóra jes przekazywana do kolejnego sopnia, czyli odbiornika. Mówimy, że aki wzmacniacz ma małą sprawność energeyczną, kórą określamy jako sosunek mocy wyjściowej do całkowiej mocy dosarczonej do wzmacniacza. W przypadku wspomnianej klasy sprawność energeyczna jes mniejsza od 25%. Tryb pracy w kórym ranzysor pracuje jako łącznik prądowy (klucz) zapewnia uzyskanie znacznie większej sprawności energeycznej. Dzięki sosunkowo dużej szybkości przełączania możliwe jes znaczne zmniejszenie gabaryów elemenów indukcyjnych, co przekłada się na wielokronie mniejszą wagę, rozmiary i koszy maeriałów. Przykładowo ransformaor o mocy 100W odbiornika radiowego z la 60-ych ważył ok. 2 kg. Obecnie zasilacz kompuera o mocy 300 W ma masę ok. 0,3 kg, a całkowia masa wszyskich elemenów zawarych w nim elemenów indukcyjnych nie przekracza 100 g. Impulsowy ryb pracy ranzysora sanowi więc alernaywę w sosunku do wspomnianego wcześniej rybu ciągłego. W ćwiczeniu zosanie pokazane, że poprawa jednego z paramerów (sprawności energeycznej) opłacona jes pogorszeniem innego parameru. W języku angielskim doskonale określa o słowo rade-off. Waro zapamięać o słowo, ponieważ w prakyce niemal zawsze, poprawę jednego z paramerów uzyskuje się koszem innego. Idealny łącznik powinien posiadać nasępujące paramery: rezysancja w sanie załączonym = 0[ rezysancja w sanie wyłączonym = [ opóźnienie przy załączaniu = 0sek. opóźnienie przy wyłączaniu = 0sek. dopuszczalne napięcie na łączniku w sanie rozłączenia = [V] W rzeczywisym łączniku każdy z wymienionych paramerów jes ograniczony. a rysunku poniżej (ys. 1) przedsawiono charakerysyki napięciowo prądowe ranzysora bipolarnego, gdzie paramerem jes prąd bazy. akreślono eż charakerysykę napięciowo KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

7 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 prądową rezysora połączonego szeregowo z łącznikiem ranzysorowym i dołączonego do źródła napięcia zasilania. ys. 1. Charakerysyki wyjściowe ranzysora bipolarnego i prosa obciążenia w układzie WE W celu określenia warości prądu płynącego przez oba elemeny. Charakerysykę napięciowo prądową rezysora C przesunięo do punku odpowiadającego warości napięcia zasilającego U Z. nasępnie dokonano obrou przesunięej charakerysyki wokół werykalnej osi w punkcie U Z. Odwrócona charakerysyka rezysora C sanowi graficzne rozwiązanie równania opisującego zależność pomiędzy napięciem na ranzysorze, a warością prądu kolekora: U CE U Z Oznacza o, że wszyskie rozwiązania równania (1) znajdują się na odcinku prosej pomiędzy punkami: {0 [V], U Z / C [A]}, { U Z [V], 0 [A]}. Ten odcinek odwróconej charakerysyki rezysora C (w przypadku wzmacniacza C) czasami nazywany jes prosą pracy. Ponieważ ranzysor bipolarny serowany jes za pośrednicwem prądu bazy, dla określonej warości prądu bazy orzymamy szczególne rozwiązanie równania (1). Będzie o punk przecięcia odwróconej charakerysyki rezysora C z charakerysyką wyjściową ranzysora dla określonej warości prądu bazy. a rysunku 1 nakreślono akże charakerysykę napięciowo prądową ranzysora bipolarnego, w kórym baza ranzysora zosała połączona z kolekorem ranzysora. Charakerysyka KATEDA ELEKTOIKI AGH ver C I gdzie: U CE napięcie pomiędzy emierem i kolekorem ranzysora, U Z napięcie zasilające, I C prąd kolekora, rezysancja obciążenia. C (1)

8 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 napięciowo prądowa, ak skonfigurowanego dwójnika, rozdziela rodzinę charakerysyk wyjściowych ranzysora bipolarnego na dwa obszary. Obszar pracy normalnej (jeżeli U CE >U BE ) i obszar pracy w sanie nasycenia (jeżeli U CE <U BE ). Czym się różnią oba e obszary? 2. Praca ranzysora w sanie normalnym W sanie pracy normalnej ranzysor jes przewidywalny, zn. zależność pomiędzy prądem kolekora i prądem bazy określona jes jednoznaczną zależnością I C = I B. W sanie nasycenia I C < I B, a dalsze zwiększanie warości prądu bazy ma niewielki wpływ na warość prądu kolekora. Z uwagi na fak, że ranzysor pełni funkcję łącznika korzysne jes, aby warość napięcia pomiędzy kolekorem i emierem była jak najniższa, wówczas moc racona na łączniku w sanie załączenia, kóra jes iloczynem napięcia kolekor-emier i prądu kolekora, będzie minimalna. ilne przeserowanie ranzysora zmniejsza warość napięcia kolekor emier dla sanu załączenia, jednakże na skuek przeserowania nasępuje pogorszenie paramerów w ranzysora/łącznika w dziedzinie częsoliwości. Czasy załączenia i wyłączenia ulegają wydłużeniu, co ogranicza maksymalną częsoliwość pracy. ysunek 2 przedsawia rozkład nośników mniejszościowych dla uproszczonego, jednowymiarowego model ranzysora bipolarnego. ys. 2. ozkład koncenracji nadmiarowych nośników w obszarze neuralnym bazy dla normalnego sanu pracy (U CE > U BE ). Odłączenie prądu emiera spowoduje sopniowy zanik ładunku, co ilusrują kolejne wykresy 1, 2, id.. Wsrzykiwane przez emier nośniki w obszarze neuralnym bazy (brak pola elekrycznego) przemieszczają się na skuek dyfuzji w kierunku kolekora, gdzie ulegną rekombinacji, co spowoduje przepływ prądu kolekora. Aby proces dyfuzji mógł zachodzić w określonym kierunku musi isnieć ujemny gradien koncenracji. Zaem, dla określonej warości prądu emiera rozkład koncenracji nośników można przedsawić za pomocą funkcji n(x, =0). KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

9 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 Jeżeli w chwili 0 zosanie przerwane wsrzykiwanie nośników przez emier (czyli wyłączony zosanie prąd bazy) ładunek będzie sopniowo zanikać jak pokazano na rysunku 2, maleć będzie gradien koncenracji, a więc i warość prądu kolekora. W warunkach normalnego sanu pracy (złącze baza kolekor spolaryzowane zaporowo) ładunek nośników nadmiarowych w obszarze bazy jes wpros proporcjonalny do naężenia przepływającego prądu oraz czasu przelou nadmiarowych nośników mniejszościowych przez obszar bazy. gdzie: TT I C TT czas przelou nośników prze bazę, I C prąd kolekora (1) 3. Praca ranzysora w sanie nasycenia Jeżeli do bazy zosanie doprowadzony prąd o warości większej aniżeli (I C /) napięcie kolekor emier zmaleje do akiego poziomu, że złącze kolekora-baza zosanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Kolekor nie zbierze wszyskich nośników, skukiem czego uż przy kolekorze wzrośnie koncenracja nośników nadmiarowych. W efekcie w obszarze bazy zosanie zgromadzony dodakowy ładunek nośników mniejszościowych, kórego warość można wyrazić jako: ( I BF ) (2) gdzie: τ - czas usuwania dodakowych-nadmiarowych 1 nośników mniejszościowych. Ten dodakowy ładunek w obszarze bazy silnie opóźnia proces wyłączania ranzysora. Jeżeli w chwili 0 zosanie przerwane wsrzykiwanie nośników przez emier (czyli wyłączony zosanie prąd bazy) prąd kolekora będzie jeszcze płynąć przez pewien okres czasu τ, a jego warość nadal będzie ograniczona przez rezysancję obciążenia. Ładunek nadmiarowych nośników mniejszościowych będzie maleć do momenu τ (jak pokazano na rysunku 3). Począwszy od momenu τ rozpocznie się proces wyłączania ranzysora, a prąd kolekora zacznie maleć, ponieważ od ego momenu zmieniać się będzie gradien koncenracji nośników mniejszościowych. Jeżeli nagle wsrzymamy przepływ prądu emiera, o zgromadzony ładunek będzie zanikać wskuek rzech czynników: 1. przemieszczania się dodakowych-nadmiarowych 1 nośników do kolekora, 2. zewnęrznego prądu polaryzacji bazy I, 3. przemieszczania się nadmiarowych nośników do kolekora. 1 Przez pojęcie dodakowe-nadmiarowe nośniki mniejszościowe należy rozumieć ylko ę część nośników, kóre sanowią ładunek, ermin nadmiarowe nośniki doyczy ylko ładunku KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

10 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 ys. 3. ozkład koncenracji nadmiarowych nośników w obszarze neuralnym bazy dla sanu nasycenia (U CE <U BE ), san przejściowy (proces wyłączania ranzysora). Po wyłączeniu prądu bazy emier nie wsrzykuje nośników do bazy. Ładunek przeserowania sopniowo zanika jednak przez cały czas płynie maksymalny prąd kolekora. W momencie ranzysor wychodzi ze sanu nasycenia, prąd kolekora sopniowo maleje ponieważ zmienia się gradien koncenracji nośników w bazie. Zmianę ładunku wskuek ych czynników wyraża wzór poniżej: I po zróżniczkowaniu równania (3) orzymamy: rozwiązaniem równania (4) jes funkcja w posaci: ( ) A e B po podsawieniu (5) do (3) orzymamy: B ( I ) W momencie zmiany kierunku prądu czyli w czasie =0 (warunek począkowy) ( I ) A e ( I BF ) (3) (4) (5) (6) zaem, A ( I B I ) F osaecznie orzymujemy: ( ) ( I I ) e ( I BF ) (7) KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

11 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał. 1 ależy eraz ylko obliczyć czas po kórym () jes równe zero: I ln I BF I gdzie: I C prąd kolekora, I BF prąd bazy załączający, I BF prąd bazy rewersyjny posób pomiaru czasu wyjaśnia rysunek nr 4. ysunek pokazuje znaczne opóźnienie przy wyłączaniu ranzysora spowodowane (8) ys. 4. Pomiar czasu magazynowania Wzór (8) jes podobny do przedsawionego wcześniej, w ćwiczeniu nr 3, wzoru (13). Dla diody en paramer nazwaliśmy czasem przelou przez bazę diody. Dla ranzysora wzór (8) określa czas magazynowania nośników w obszarze bazy. Klucz ranzysorowy pozosanie ak długo w sanie załączonym dopóki dodakowe-nadmiarowe nośniki mniejszościowe nie zosaną usunięe z obszaru bazy. Jeżeli I C / jes równe I BF wyrażenie pod logarymem przyjmuje warość 1, a warość logarymu jes równa 0, zaem orzymujemy zerowy czas magazynowania. Wówczas ranzysor nie wchodzi w san nasycenia. Wzór (8) pokazuje również, że jeżeli ranzysor jes serowany impulsowo duża warość współczynnika wzmocnienia prądowego nie jes korzysna. KATEDA ELEKTOIKI AGH ver

12 Laboraorium Elemenów Elekronicznych: PZEŁĄCZAIE DIOD I TAZYTOÓW. zał Pomiar czas życia nośników w bazie Pomiar czasu życia nośników w bazie można przeprowadzić w oparciu o meodę (Open Circui Volage Decay), (OCVD) przedsawioną w punkcie doyczącym przełączania diody wzór (6). Czas życia można również wyznaczyć na podsawie pomiaru czasu narasania prądu kolekora. Czas po kórym prąd kolekora osiąga 63% maksymalnej warości prądu kolekora jes równy czasowi życia nośników w bazie. Przy pomiarze szybkości narasania prądu kolekora ranzysor nie może wchodzić w san nasycenia. Znajomość czasu życia nośników w bazie umożliwia oszacowanie ładunku nośników mniejszościowych w bazie ranzysora. B B I BF Jeżeli ranzysor pracuje w sanie normalnym (U CE >U BE ) ładunek en niemal w całości przechwyywany jes przez kolekor ranzysora, zaem; (9) B (10) B I BF I C (11) gdzie: τ B czas życia nośników mniejszościowych w bazie, τ czas przelou nośników przez bazę, I C - prąd kolekora, I BF prąd bazy Korzysając z wzorów (9) i (11) można również wyznaczyć zależności dla pracy inwersyjnej ranzysora. Pomiar szybkości narasania prądu kolekora wyjaśnia rysunek 5. ys 5. Pomiar sałej czasowej τ B. ZbigMag KATEDA ELEKTOIKI AGH ver