Search
czwartek 19 Październik 2017
  • :
  • :

Ogólne właściwości półprzewodników IGBT

Ogólne właściwości półprzewodników IGBT stosowanych w falownikach

 

Ze względu na skład chemiczny, półprzewodniki stosowane w technice można podzielić na trzy główne grupy:

  1. półprzewodniki krystaliczne zbudowane z atomów jednego pierwiastka; takimi półprzewodnikami są szeroko obecnie stosowane: german (Ge), krzem (Si) i selen (Se), a także te pierwiastki, które wprowadza się do półprzewodników w postaci przymieszek: fosfor (P), arsen (As), bor (B), cyna (Sn), ind (In);
  2. półprzewodniki tlenkowe: podtlenek miedzi (Cu20), tlenek cynku (ZuO), tlenek kadmu (CdO), dwutlenek tytanu (Ti02), tlenek niklu (NiO) i in.;
  3. związki siarki (S), selenu (Se) i telluru (Te) z miedzią, kadmem, ołowiem i in. (związki te noszą nazwę siarczków, selenków i tellurków).

Podwyższanie przewodności za pomocą przymieszek można prześledzić na przykładzie krystalicznego półprzewodnika, jakim jest german. Wiadomo, że german jest czterowartościowy, czyli że posiada cztery elektrony, walencyjne. Jeżeli teraz do kryształu germanu wprowadzi się atomy pięciowartościowe, np. arsenu lub fosforu, to w półprzewodniku pojawią się swobodne elektrony po jednym na każdy atom przymieszki, ponieważ cztery z pięciu elektronów tych atomów będą związane z czterema elektronami germanu, a piąty elektron arsenu czy fosforu, przy niewielkim nagrzaniu półprzewodnika, oswobodzi się, tj. opuści swój atom. Jeżeli atomami mieszkowymi w germanie będą atomy z trzema elektronami walencyjnymi, np. atomy boru lub aluminium, to tylko trzy elektrony germanu będą związane z atomami boru. Dla dopełnienia związku atomu boru z czterema elektronami atomu germanu bor musi pochwycić jeden elektron od sąsiedniego atomu germanu. Wówczas atom boru będzie miał jeden elektron więcej, a atom germanu będzie miał niedostatek jednego elektronu, czyli innymi słowy powstanie dziura. Elektron pochwycony przez atom boru nie będzie brał udziału w przenoszeniu prądu. Powstała dziura stworzy okazję dla elektronu z sąsiedniego atomu germanu do przeskoku na jej miejsce. Jednocześnie w sąsiednim atomie germanu pojawi się nowa dziura. W ten sposób powstała na początku dziura będzie przechodziła od jednego atomu germanu do drugiego itd. Ruch dziur pod działaniem zewnętrznego pola będzie miał charakter uporządkowany, czyli powstanie prąd dziurowy. Z powyższego widać, że przymieszki w półprzewodniku w nie-wysokich temperaturach zwiększają prąd elektryczny, chociaż koncentracja ich nie jest wysoka. W niewysokich temperaturach można oczekiwać przewodności dziurowej lub elektronowej w zależności od atomów przymieszek. W miarę nagrzewania w półprzewodniku będzie znacznie wzrastać przewodność własna, przy której, jak wiadomo, ilość dziur i elektronów jest równa. Dlatego w wysokich temperaturach przewagę będzie miała przewodność własna. Znika także różnica w typie przewodności. Oznacza to, że jeśli dzięki przymieszkom german miał w niskich temperaturach przewodność typu p, to w wysokich temperaturach przewaga tej przewodności zniknie.

Materiały półprzewodnikowe są bardzo czułe na podwyższenie temperatury. Własność tę wykorzystuje się np. dla otrzymania termistorów, które można stosować do pomiaru temperatur lub do kompensacji wpływu temperatury zewnętrznej w różnych urządzeniach elektronowych.

Oprócz tego półprzewodniki te można wykorzystać do produkcji termoelementów i termo generatorów przekształcających energię cieplną w elektryczną. Jeśli jeden koniec półprzewodnika o przewodności typu n nagrzać bardziej niż drugi, to elektrony z cieplejszego końca, gdzie ich koncentracja i energia jest wyższa, przejdą do końca chłodniejszego. W ten sposób w zimnym końcu zbierze się więcej ładunków ujemnych, koniec zimny naładuje się zatem ujemnie, a koniec gorący — dodatnio. Na końcach pół-przewodnika pojawi się różnica potencjałów — siła termoelektryczna. W półprzewodnikach z przewodnością typu p koniec gorący naładuje się ujemnie, a zimny — dodatnio, odwrotnie niż w przypadku poprzednim. Zjawiska te potęgują się, gdy dwa różne półprzewodniki odpowiednio dobrane znajdą się w styku. Jeśli z takich półprzewodników utworzyć obwód zamknięty i przepuszczać przez niego prąd elektryczny ze źródła zewnętrznego, to miejsce styku dwóch półprzewodników będzie się nagrzewać lub oziębiać w zależności od rodzaju półprzewodników i od kierunku prądu. Zjawisko to wykorzystuje się do budowy półprzewodnikowych falowników, termistorów i innych urządzeń.

 

Autor artykułu jest ekspertem falowniki.pl

 




Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *