Ø Proprietăţile fizice a materialelor semiconductoare
Diodele semiconductoare sunt
dispozitive electronice cu două terminale, care au în structura lor o joncţiune
pn, o regiune de tip p şi una de tip n, realizate în aceeaşi reţea cristalină
continuă, şi două contacte ohmice (terminale). Valoarea conductivităţii
electrice depinde de sensul tensiunii aplicate: pentru sensul direct, care
micşorează bariera energetică de echilibru, conductivitatea are o valoare
ridicată, iar pentru sensul invers, care măreşte bariera energetică,
conductivitatea devine redusă. Există multe tipuri de diode: redresoare,
stabilizatoare, de detecţie, de comutaţie, varicap, tunel, GUNN ş.a.
La contactul dintre două solide cu nivele
Fermi diferite, se formează o barieră energetică Wb datorită difuziei
purtătorilor de sarcină dintr-un mediu în altul. Se operează cu potenţialul de
difuzie definit ca Vb=Wb/q. (La metale, acest potenţial se numeşte potenţial de
contact şi este localizat pe un spaţiu foarte îngust la suprafaţa de contact).
Se consideră un material
semiconductor în care se realizează o regiune de tip n şi una de tip p. La
suprafaţa de separaţie a celor două regiuni se formează o joncţiune pn
caracterizată prin: lărgime, sarcină spaţială, câmp electric, potenţial de
difuzie şi capacitate electrică. Joncţiunea pn este elementul de bază în
majoritatea dispozitivelor electronice.
Ø Formarea joncţiunii p-n. Înălţimea barierei de contact
Dacă într-un semiconductor se
realizează, prin procedee speciale, o zonă p şi o zonă n, astfel ca trecerea de
la o zonă la cealaltă să se facă pe o distanţă foarte mică (de regulă, sub 10-5
mm), se obţine o joncţiune p – n.
Notând cu Na concentraţia atomilor acceptori şi cu Nd concentraţia atomilor
donori, în fig. 2.8 b se prezintă distribuţia concentraţiei impurităţilor, în
cazul ideal, când trecerea de la regiunea p la regiunea n se face brusc
(joncţiune abruptă). De obicei, concentraţiile impurităţilor în cele două zone
nu sunt egale (Na > Nd), joncţiunea numindu-se în acest caz asimetrică. Procesele fizice care au loc în joncţiunea p
- n au o importanţă deosebită în funcţionarea celor mai multe dispozitive
semiconductoare. În cel mai simplu caz, joncţiunea p - n poate fi utilizată la
realizarea diodelor semiconductoare.
În vecinătatea suprafeţei
de separaţie a zonelor p şi n există o variaţie puternică a concentraţiei
purtătorilor majoritari.
Ø Diode redresoare
Pentru alimentarea cu curent a
circuitelor electronice se foloseşte tensiunea continuă. Reţeaua de transport
şi distribuţie a energiei electrice în România utilizează curentul alternativ
cu tensiunea de 220V/380V şi frecvenţa de 50Hz. (în unele state există alte
tensiuni şi frecvenţe ale reţelelor de distribuţie). Pentru aplicaţii în care
este necesară o tensiune continuă se folosesc redresoare care realizează
conversia tensiunii alternative în tensiune continuă.
În general un redresor are trei
părţi principale:
·
transformatorul cu rolul de a
modifica tensiunea reţelei pentru ca la ieşirea redresorului să se obţină o
anumită valoare a tensiunii redresate. Raportul de transformare este n1: n2 = U1m: U2m ;
·
elementul redresor propriu-zis cu
caracteristică neliniară şi conducţie unidirecţională care realizează
redresarea ;
·
filtrul de netezire care reduce
pulsaţiile tensiunii redresate şi este constituit de obicei din elemente pasive
R, L, C. În unele aplicaţii redresorul poate să nu fie prevăzut cu filtru de
netezire (alimentarea unor
Ø 2.4.2 Dioda varicap
Am văzut că datorită difuziei
purtătorilor majoritari de sarcină, în vecinătatea joncţiunii semiconductoare
apare o separare de sarcină electrică (sarcină spaţială). Cele două straturi de
sarcină separate pot fi asimilate cu un condensator plan ale cărui armături se
îndepărtează odată cu creşterea tensiunii inverse a diodei. Tensiunea inversă
nu trebuie să depăşească tensiunea corespunzătoare multiplicării în avalanşă a
purtătorilor de sarcină. Capacitatea astfel generată se numeşte capacitate de
barieră. Dependenţa ei de tensiunea inversă este prezentată în fig.2.12, unde
CBo este capacitatea de barieră în absenţa unei tensiuni exterioare.
Ø
Diode tunel
Într-o joncţiune de
arseniură de germaniu sau galiu foarte puternic dopată, efectul Zener poate fi
obţinut şi la tensiuni pozitive mai mici decât tensiunea de deschidere a
joncţiunii. Datorită dopării puternice, regiunea sărăcită este foarte îngustă
şi purtătorii de sarcină pot străpunge bariera de potenţial prin efect tunel la
tensiuni directe foarte mici, rezultând o creştere bruscă a curentului
(porţiunea OA a caracteristicii volt-amperice din fig.2.13).
După atingerea unei valori
maxime (de saturaţie), curentul se va
micşora deoarece creşterea
tensiunii directe de polarizare determină, pe
lângă micşorarea înălţimii
barierei de potenţial, şi lărgirea ei (porţiunea AB
a caracteristicii
volt-amperice). Pe această porţiune, rezistenţa diferenţială a diodei tunel
(reprezentată de panta caracteristicii), este negativă. Curentul
corespunzător porţiunii OAB
a caracteristicii se numeşte curent tunel. În
punctul B câmpul electric datorat tensiunii exterioare
de polarizare anulează bariera de potenţial şi joncţiunea începe să se comporte
ca aceea a unei diode obişnuite. Curentul prin diodă începe să crească datorită
injecţiei de urtători de sarcină prin joncţiune (curent de injecţie). Dacă
dioda tunel este polarizată pe porţiunea de carcteristică cu rezistenţă
diferenţială negativă, ea poate fi folosită pentru compensarea rezistenţei de
pierderi din circuitele oscilante şi realizarea oscilatoarelor (circuite care
generează semnale variabile în timp, de exemplu oscilaţii sinusoidale). De
asemenea, dioda tunel este folosită în circuitele de amplificare a microundelor.
Ø Parametrii diodelor de putere
PRINCIPII
ELEMENTARE DE FUNCTIONARE ALE TIRISTOARLOR GTO
Tiristorul cu blocare pe poarta ( GTO = Gate Turn
- Off
Thyristor ) este un dispozitiv cu structura pnpn, care poate fi amorsat si
blocat cu semnale pozitive, respectiv negative, aplicate pe terminalul de
comanda (poarta), fara inversarea polaritatii tensiunii externe, aplicate intre
anod si catod. Dispozitivul GTO imbina proprietatile
de baza ale unui tiristor conventional (sensibilitate inalta la semnale de
amorsare aplicate pe poarta, capabilitate ridicata de blocare a tensiunii in
direct/invers) cu cele ale unui tranzistor bipolar (in primul rand, faptul ca
poate fi stins prin aplicarea semnalelor negative pe terminalul de comanda).
Posibilitatea
stingerii pe poarta a dispozitivelor GTO confera un grad
superior de flexibilitate in implementarea unor aplicatii de forta (invertoare,
contactoare statice, choppere, generatoare de imulsuri, etc.) si determina
simplificarea atat a sistemelor de comanda, cat si a circuitelor de putere care
utilizeaza aceste tiristoare. Avantajul utilizarii dispozitivelor GTO in locul
tiristoarelor conventionale este evidentiat in figura 16.
In aceasta
schema "clasica", tiristorul principal TP este utilizat
in calitate de comutator electronic, care controleaza curentul (nivelul de
putere) in sarcina RL. Tiristorul auxiliar TA si capacitorul
C sunt utilizate pentru stingerea tiristorului principal TP.
Rezistorul R1 este folosit pentru limitarea valorii
curentului anodic al tiristorului TA. Fiecare dintre tiristoarele
conventionale (TA si TP) esteamorsat de propriul
sau circuit electronic de comanda. Utilizarea unui singur tiristor GTO in scopul
controlului nivelului de putere in sarcina RL permite :
a) diminuarea substantiala
a numarului de componente electronice necesare in aplicatia mentionata,
prin utilizarea unui singur dispozitiv semiconductor activ, simultan cu
eliminarea capacitorului C si a rezistorului R1;
b) micsorarea gabaritului,
in special datorita eliminarii unui tiristor si capacitor C, a carui valoare
(volum) este direct proportionala cu nivelul de putere comutat;
c) simplificarea circuitelor
electronice de comanda pe poarta;
d) cresterea fiabilitatii
in functionare;
e) diminuarea costurilor,
ca urmare a avantajelor enumerate la a) - d);
Unul
dintre avantajele principale ale tiristorului GTO - in comparatie cu
tranzistoarele bipolare de putere - consta in puterea relativa redusa consumata
de poarta in timpul functionarii dispozitivului in calitate de comutator. Astfel, spre deosebire de tranzistorul bipolar,
tiristorul GTO necesita semnale corespunzatoare pe poarta numai pe durata
proceselor tranzistorii de amorsare, respectiv de stingere, nu si in starea de
conductie directa. Orice tiristor conventional poate fi blocat prin
extragerea unui curent pe poarta. De regula, stingerea pe poarta a unui tiristor
conventional de curent anodic redus (pana la 1 - 2 A) nu comporta probleme deosebite. Stingerea eficienta si fiabila pe poarta, intr-un timp relativ redus, a
unui tiristor conventional de putere, operat la curenti anodici de ordinul
zecilor si sutelor de amperi, nu este insa posibila. Pentru extragerea pe
poarta a unui curent de valoare mare (zeci de amperi) in vederea intreruperii
curentului anodic al dispozitivului, geometria (configuratia) internapoarta
- catod a
tiristorului trebuie sa indeplineasca
anumite cerinte stricte. Tiristorul GTO este un comutator electronic specializat,
avand o structura interna realizata cu scopul principal de a facilita stingerea
rapida si fiabila pe poarta a dispozitivului. Aceasta structura este optimizata
in vederea mentinerii parametrilor electrici principali ai dispozitivului GTO
la valori tipice pentru tiristoarele conventionale din aceeasi clasa (arie si
capsula identice).
Utilizarea
metodelor de blocare, tipice pentru tiristoarele conventionale, in vederea
stingerii unui comutator GTO, subutileaza posibilatile acestui dispozitiv,
conferite de facilitate controlului pe poarta.
In
afara de trasaturile distinctive ale configuratiei poarta - catod, care permit
extragerea eficienta pe poarta a unei fractiuni importante a curentului anodic
in timpul procesului de stingere, comportamentul unui dispozitiv GTO este
similar cu cel al unui tiristor conventional.
De
remarcat faptul ca aplicarea unui impuls negativ pe poarta unui tiristor
conventional in cursul procesului sau de stingere are ca efect micsorarea
timpului de blocare tq. Tiristoarele conventionale specializate, in
care semnalul negativ aplicat pe poarta "asista" procesul de
stingere, micsorand timpul de blocare tq, poarta denumirea de "tiristoare
de blocare asistata de poarta".
