Przyrządy półprzewodnikowe polowe II

(unipolarne i unipolarno-bipolarne, o 

sterowaniu napięciowym), MAG

Porównanie tranzystorów polowych i 

bipolarnych (1)

[1]

Tranzystor JFET (2) zasada 

działania i ch-ki

D

δ ~ ( U

R

/N

d

)

1/2 

gdzie U

R

–

napięcie wsteczne na złączu,

N

d

– koncentracja domieszek  w 

materiale n (donorów). Napięcie 
U

R

=U

GS

+ U

SD

y/L

[5, 10]

Tranzystor polowy złączowy JFET (3) 

ch-ki wyjściowe

Ch-ki wyjściowe I

D

=f(U

DS

) przy U

GS

= -2V do 0 co –

0.4V dla T = 0, 50, 100deg.

Przybliżona zależność dla małych przyrostów

∆I

D

= g

m

∆U

GS

+ g

ds

∆U

DS.

Transkonduktancja  g

m

= ∆I

D

/ ∆U

GS 

przy  U

DS

=const.

Konduktancja wyjściowa g

ds

= ∆I

D

/∆U

DS.

przy U

GS

=const.

Tranzystor JFET (4) ch-ki przejściowe

Ch-ki przejściowe I

D

=f(U

GS

) przy U

DS

=20V i T=0,50 100deg (wykres dolny). 

Wykres górny przedstawia zależność transkonduktancji g

m

.

Tranzystor JFET (5) ch-ki wyjściowe i I

G

Tranzystor 2N4393  jak poprzednio. Symulowane ch-ki wyjściowe 
I

D

=f(U

DS

) przy U

GS

=-2V do 0 co -0.4V oraz T= 50deg (zielona) i 80deg 

(czerwona).Na wykresie  górnym pokazano ch-ki prądu bramki –I

G

przy 

tych samych temperaturach.

Tranzystor JFET (6) 

wzmacniacz AC

Wzmacniacz AC z tranzystorem JFET. 
UV2=200mV. Przebiegi czasowe i ch-ka 
częstotliwościowa przenoszenia.

Tranzystor MOS (MOSFET) (7) z kanałem 

poziomym normalnie wyłączony

odcięcie kanału (pinch-off)

I

D

U

DS

U

GS

[6]

MOSFET (8) normalnie wyłączony (enhancement) z 

kanałami p i n oraz charakterystyki

Podłoże n

D

S

G

n

+

n

+

Podłoże p

D

G

S

P

+

P

+

Kanał n

Kanał p

+

[5]

MOSFET (9) normalnie załączony (depletion) z 

kanałami p i n oraz charakterystyki

Podłoże n

P

+

P

+

D

G

S

Kanał p

n

+

n

+

D

D

D

G

S

Kanał n

Podłoże p

D

[5]

MOSFET (10) struktura wielokomórkowa mocy  

typu HEXFET f-my Int.Rectifier

Struktura z kanałem typu n zawiera zintegrowaną  odwrotnie równoległą diodę p-n 

[1]

[1]

MOSFET (11) komórka HEXFET 

i schematy zastępcze

[2]

D

S

G

C

DS

i

CDS

=

dt

)

U

d(C

DS

DS

MOSFET (12) Ch-ki UDS-ID i UDS-I-T

Tranzystor HEXFET IRF150 Ch-ki wyjściowe przy 
U

GS

=4,5,6,7,8V. Wrysowano hiperbole mocy dla Pmax 

= 100W. Te same ch-ki przy D

GS

= 6V i temperaturach 

0, 60, 120deg.

MOSFET (13) Ch-ki przejściowe UGS-ID-T 

Tranzystor MOSFET IRF150.Symulowane ch-ki przejściowe I

D

=f(U

GS

) 

przy U

DS

=20Vi T= 0,60,120deg.

MOSFET (14) Ch-ki U-I-T 

zintegrowanej diody

Parametr: temperatura T = 0,60,120deg

MOSFET (15) ch-ki ID-UD-UDS oraz 

R

DS(on)

.

Ch-ki wyjściowe w układzie U

DS

=f(I

DS

) dla U

GS

=5,10,15,20V. 

Wykres górny: stałoprądowa rezystancja R

DS(on)

=f(I

D

) przy tych 

samych U

GS

.  R

DS(on)

=80.679mΩ przy I

D

= 74.044A jest to granica 

stanu ON dla U

GS

= 10V. Przy U

DS

=15V i I

D

=100A R

DS(ON) 

= 

33.742 mΩ

MOSFET POWER (16) jako 

szybki łącznik

MOSFET (17) szybki łącznik z 

forsowaniem sterowania

MOSFET (18) szybki łącznik, 

obc.RL prąd obc.nieciągły. 

MOSFET  (19) szybki łącznik , 

obc.RL,indukcyjność w obwodzie 

zasilania, ciągły prąd obciążenia ,stan 

ustalony.

MOSFET (20) szybki łącznik, obc.RL 

– zwiększona indukcyjność, stan 

przejściowy (start).

IGBT (21) Porównanie struktur MOSFET (HEXFET) i 

IGBT.

[2]

IGBT (22) struktura i pełny schemat zastępczy.

[4]

IGBT (23) uproszczone schematy i warunki 

„latch-up”

a)

b)

a) Przypadek normalnej pracy  I

c

≈I

MOS

(1+β

pnp

)

b) Przypadek awaryjny gdy (α

pnp

+ α

npn

) →1 przy granicznie dużym prądzie, 

temperaturze lub stromości napięcia. Technologiczne środki 
zapobiegawcze:szeroka baza n i  warstwa buforowa n+  (zmniejszenie α

pnp

) , 

mała wartość r

b

′ (zmniejszenie α

npn

). 

α

pnp

α

npn

β

pnp

C

C

E

E

G

G

I

C

I

MOS

r

b

′

IGBT (24) typowe ch-ki wyjściowe

[4]

IGBT (25) symulowane ch-ki 

UC-IC-UG-T

Tranzystor IGBT IXGH40N60. Charakterystyki 
wyjściowe dla U

G

=5, 15, 25V    oraz T= 50, 100 i 

150deg.

IGBT (26) ch-ki powiększone

Tranzystor IGBT IXGH40N60. Charakterystyki wyjściowe dla U

G

=5, 

15, 25V    oraz T= 50, 100 i 150deg.

IGBT (27) łącznik z obc.RL, z 

indukcyjnością w obwodzie 

zasilania i tłumikiem RCD.

IGBT (28) łącznik z obc.RL, 

z indukcyjnością w obwodzie 

zasilania IGBT bez tłumika

Model cieplny przyrządu półprzewodnikowego (29) 

dla stanu ustalonego

P

R

TH/J-C/

R

TH/C-R/

R

TH/R-A/

∆

∆T

/J-C/

∆T

/C-R/

∆T

/R-A/

Prawo Ohma dla obwodu cieplnego: 

∆T = P R

TH

∆T

/J-A/

= P ∑ R

TH

Warunki stabilności cieplnej (30)

P

T

A

T

J

P

gen

P

od

arctgR

TH/J-A/

Pt niestabilny

Pt stabilny

Granica stabilności

P

T

A1

T

A2

T

J

Granica 
stabilności

P

od

= (T

J

– T

A

)/R

TH/JA/

Warunek stabilności :

≥













∆

≥













∆

T

d

dP

T

d

dP

gen

od

(31)

Literatura do cz.II

1.

IR Hexfet Databook 1983

2.

IR Hexfet and IGBT Seminar

3.

J.Jaczewski, A.Opolski, J.Stolz Podstawy elektroniki i energoelektroniki, WNT 1981

4.

S.Januszewski, H.Świątek Nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe w energoelektronice, 

WNT,1994

5.

M.Kaźmierkowski, J.Matysik Podstawy elektroniki i energoelektroniki, skrypt P.W. 1983

6.    Z.Korzec Tranzystory polowe, WNT, 1973

7.

A.Król, J.Moczko PSPICE Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych, NAKOM 

Poznań 1998

8.

A.Napieralski, M.Napieralska Polowe pólprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, WNT,1995

9.

W.Pawelski Sterowanie tranzystorów IGBT. Politechnika Łódzka,  Monografie, 2001

10. J.Wieland red. Zadania z elektroniki przemysłowej t.1, PWN 1991

11. Z.Zachara, K.Wojtuszkiewicz PSPICE Przykłady praktyczne, MIKOM 2000