Напряжение смещения нейтрали это: Напряжение смещения нейтрали | это… Что такое Напряжение смещения нейтрали?

смещение нейтрали

Линейные напряжения (т.е. напряжения между каждыми из двух фаз попарно) АВ, ВС и АС образуют равносторонний треугольник, где каждая сторона равна 380В. Фазные напряжения (т.е. напряжения между нулем N и любой из трех фаз А,В и С) равны по 220В. При смещении нейтрали точка N может переместиться в любое место треугольника (это как если зацепиться за нее и переместить в произвольное место). Фактически это место зависит, как мы оговаривали, от того, какие потребители, где и в каком количестве включены. Может возникнуть такая ситуация, когда при смещении нейтрали одно из фазных напряжений будет сильно завышено — тогда могут сгореть некоторые включеные приборы. Соответственно, общая нагрузка изменится и это приведет к смещению нейтрали в другую точку и возрастания фазного напряжения в другой квартире. При выходе из строя некоторых потребителей там — снова произойдет ее перерасчет и перемещение. И так до тех пор, пока вся оставшаяся нагрузка не сможет держать то напряжение, которое в итоге всего этого на нее будет подано.


формула определения напряжения смещения

Схема включения приемников энергии «треугольником» применяется,

в основном

, когда источник питания имеет необходимое линейное напряжения величиной 220В. Нагрузка также в этом случае также рассчитана на питание 220В. На рис.5 приведены для сравнения схемы включения звездой и треугольником.

При сравнении схем получаем:

в схеме звезда:

1)линейные токи генератора равны фазным токам нагрузки. И для генератора и для нагрузки это будут токи IA , IB, IC. А вот линейные напряжения генератора(380В) UAB, UBC, UAC не равны фазным напряжениям нагрузки(220В) UA, UB, UC;

в схеме треугольник:

1)линейные токи генератора IA, IB, IC не равны фазным токам нагрузки IAB, IBC, IAC. А вот линейные напряжения генератора будут равны фазным напряжениям нагрузки. И для генератора и для нагрузки это будут напряжения UAB, UBC, UAC.

читать далее…

Этот пункт данной главы предназначен тем, кто уже ознакомился с разделом «Решение задач», а точнее с задачей №8. Здесь для особо любопытных покажем, как по графику складывать токи(действительные значения)в фазах и считать суммарный ток в нейтральном проводе(его действительную величину). А также расскажем о построении векторной диаграммы токов и напряжений, как это было обещано в задаче №8.

Глядя на рис.6, можно ток в нейтрали и сразу найти, так так он показан коричневой линией. Например, для t = 0,01с он равен 1,47А, а при t = 0,016с составит 5,2А. Однако, надо уметь проверять и вручную.

Поэтому возьмем для примера два разных промежутка времени t = 0,01с и t = 0,016с и найдем для каждого из них значение тока в нейтральном проводе. Имеем при t = 0,01с следующие токи в фазах(см. на график): IA = 1.96A; IB = 0.49A; IC = -0.98A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: IN= 1.96+0.48-0.98=1.47A.

Для t = 0,016с имеем: IA = -2,45A; IB = 5,2A; IC = 2,45A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: IN= -2,45+5,2+2,45=5,2A.

Теперь о векторной диаграмме. Берем произвольную точку N. Рисуем вертикальную ось действительных значений и горизонтальную ось мнимых значений, обозначенную как j. Откладываем по вертикальной оси в выбранном масштабе значение фазного напряжения фазы А. Если масштаб 1Вольт/мм, значит длиною 127мм. Далее с разносом в 120градусов в обе стороны откладываем два других фазных напряжения той же длины. Соединяем все вершины и получаем треугольник, идентичный на рис.4. Его стороны будут являться междуфазными, т.е. линейными напряжениями. Токи в каждой из фаз также строятся с учетом масштаба. Угол между напряжением и током откладывается согласно полученного значения. Например, мы получили

Откладываем по транспортиру угол величиною в -53градуса вправо от отрезка UфА. А величина IфА при масштабе 1А/см будет 2,5см. Для фазы В мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфВ уже имеет угол -120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфВ недостающие 53градуса(173-120)вправо и обозначаем на диаграмме как угол фВ. Для фазы С мы получили

Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфС уже имеет угол 120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфС недостающие 36градусов(156-120)влево и обозначаем на диаграмме как угол фС. В заключение необходимо правильно построить ток нейтрали. Для этого необходимо сложить все токи по правилу сложения векторов. Для этого переносим параллельно вправо длину отрезка, изображающего ток IфВ (он красный) и «присоединяем» его к концу отрезка, изображающего ток IфА. Затем также переносим вниз отрезок тока IфС(тоже сделаем его красным)и «присоединяем» его к концу красного отрезка, изображающего ток IфВ. Соединяем точку N и конец последнего отрезка. Полученный синий отрезок будет током нейтрали, а его длина будет равна действительному значению тока нейтрали с учетом выбранного масштаба. Все, как говорится, просто и элементарно.

Измерение напряжения несимметрии и смещения нейтрали | Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью | Архивы

  • 35кВ
  • 6кВ
  • компенсация
  • сети

Содержание материала

  • Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью
  • Объем и характер измерений в сетях с компенсацией емкостного тока
  • Измерение напряжения несимметрии и смещения нейтрали
  • Метод металлического замыкания одной фазы на землю
  • Конструктивное выполнение и параметры дугогасящих катушек
  • Трансформаторы для подключения дугогасящих катушек
  • Выбор настройки дугогасящей катушки
  • Схемы включения дугогасящих катушек
  • Схемы сигнализации и контроля работы дугогасящих катушек

Страница 3 из 9

 

Измерение напряжения несимметрии в сети с незаземленной нейтралью не представляет затруднений. Поскольку приходится измерять небольшие напряжения, лучше отказаться от использования измерительных  трансформаторов данного класса номинального напряжения линий и брать трансформаторы напряжения на ступень ниже и астатические вольтметры с пределами измерений 7,5—60 В. Так, при измерениях в сети 35 кВ следует применить измерительный трансформатор на 10 или 6 кВ. Один вывод первичной обмотки трансформатора надо соединить с заземляющей шиной, а второй подсоединить к изолирующей штанге. Измерение делают, кратковременно касаясь концом штанги нулевой шинки (рис. 15). Вовремя измерений надо следить за состоянием изоляции по вольтметрам контроля изоляции, подключаемым ко вторичным обмоткам пятистержневого трансформатора в цепь разомкнутого треугольника и в каждую фазу вторичной обмотки, соединенной в звезду.
Желательно измерить не только величину напряжения емкостной несимметрии, но и определить положение вектора Unv в треугольнике линейных напряжений. Это позволяет определить, на каких фазах емкости излишни, и выбрать впоследствии способ выравнивания емкостей фаз сети. Поэтому желательно в схеме измерений предусмотреть фазометр (например, типа ВАФ-85) или векторметр.

Рис. 15. Схема измерения напряжений несимметрии.

Рис. 16. Схема измерения напряжения смещения нейтрали.

При измерении смещения нейтрали при различных расстройках компенсации всегда используются трансформаторы напряжения, поскольку смещения могут достигать даже десятых долей номинального фазного напряжения (рис. 16).
Изменяя ток компенсации, снимают резонансную кривую напряжения смещения нейтрали (рис. 17). Измерения начинают с наибольшей расстройки, лучше в сторону перекомпенсации. Затем переставляя ответвления катушек, приближаются к резонансной точке, а потом переводят сеть в режим недокомпенсации.

Рис. 17. Резонансная кривая напряжения смещения нейтрали.

Если сеть имеет значительную емкостную несимметрию и малые активные утечки, то по мере приближения к резонансу смещение нейтрали резко возрастает. Измерения надо вести осторожно, так как имеется возможность того, что при резонансе смещение достигнет величины, соизмеримой с нормальным фазным напряжением. Такие случаи нередки на участках с плохо выполненной транспозицией. Иногда несимметрию дают конденсаторы высокочастотной связи, если связь на всех линиях осуществляется по одной и той же фазе, а также однофазные токоприемники. Если выделенный участок имеет очень большую несимметрию, что обнаруживается по наличию значительных смещений нейтрали, то его следует объединить с другими участками или даже со всей сетью, для этого в оперативной схеме испытаний надо предусмотреть выключатель (например, шиносоединительный или один из линейных). Переключение ответвлений делается при отключении катушки от сети. Катушки подключаются к нейтралям трансформаторов через разъединители. Действия разъединителями возможны при напряжениях смещения, не превышающих половины нормального фазного; при этом ток через катушки, обусловленный емкостной несимметрией, не должен быть больше предельного тока замыкания, допускаемого в данной сети при работе с незаземленной нейтралью. Ток несимметрии контролируется амперметром, включенным в цепь трансформатора тока дугогасящей катушки (рис. 16). Ниже рассмотрены методы измерений токов замыкания на землю.

По результатам измерения напряжения смещения нейтрали можно определить емкостный ток сети, если построить резонансную кривую.
Если при измерениях удается определить максимум резонансной кривой напряжения смещения нейтрали, то можно рассчитать активный ток замыкания и, следовательно, определить коэффициент затухания сети d. Однако обычно количество измерений недостаточно для построения всей кривой. Так, например, в сети с двумя катушками можно сделать в лучшем случае не более десяти измерений (по количеству ответвлений) при разных расстройках компенсации, т. е. удается снять лишь часть спада и роста кривой напряжения смещения (рис. 17).

Так как напряжение емкостной несимметрии не зависит от настроек компенсации, то, учитывая (8) и пренебрегая влиянием d, можно записать отношения напряжений смещения нейтрали U0i и Uw при расстройках V, и U2:
Отсюда можно найти емкостный ток сети
(17)
причем /к, и /кг — токи дугогасящих катушек, соответствующие расстройкам и и2, a U0i и (Уог— измеренные напряжения смещения нейтрали. Токи /кi и /кг берутся по замерам или по паспортным данным дугогасящих аппаратов.

Для того чтобы оценить емкостный ток замыкания точнее, рекомендуется брать напряжения смещения нейтрали либо на нарастающей, либо на спадающей части кривой. Чем больше измерений m подсчетов, тем точнее результат, который берут как среднее арифметическое всех подсчетов. Вследствие неточности паспортных данных катушек, пренебрежения коэффициентом затухания сети, погрешностями измерительных трансформаторов и приборов ошибка в подсчете (по двум измерениям) может быть в пределах ±10%. При большом количестве замеров (оно определяется количеством ответвлений на катушках) и усреднении результатов погрешность может быть снижена до 4—5% по отношению к действительной величине емкостного тока.
Емкостный ток можно вычислить также как полусумму любых двух значений токов компенсации вблизи резонанса, при которых получается одинаковое смещение  нейтрали. Это видно из (17), если учесть, что напряжения смещения при недокомпенсации и перекомпенсации противоположны по фазе. 2, где Ломаке — максимум резонансной кривой. В точках А и В расстройка компенсации численно равна (знаки не учитывать) коэффициенту успокоения сети d, что видно из (8) и (9).
При наличии в сети только одной катушки количество возможных замеров недостаточно для получения более или менее достоверного результата.

Резонансный метод можно применять и в кабельных сетях, создавая емкостную несимметрию искусственно. Для этого емкость одной из фаз надо уменьшить настолько, чтобы появилось напряжение несимметрии около 1—2% номинального фазного, т. е. 60—80 В для сети 6 кВ и 90—120 В для сети 10 кВ. Этого можно достигнуть отключением одной фазы резервного кабеля, находящегося под напряжением. Длина кабеля должна быть такой, чтобы емкостный ток отключаемой фазы резервного кабеля составлял приблизительно 1—2% емкостного тока данной сети.

  • Назад
  • Вперед
  • Назад
  • Вперед
  • Вы здесь:  
  • org/ListItem»> Главная
  • Книги
  • Архивы
  • Нормирование и анализ использования энергоресурсов на предприятии

Читать также:

  • Измерение расстройки компенсации в сетях 6-35 кВ
  • Комплектные конденсаторные установки
  • Шунтовые конденсаторные батареи 6—110 кВ
  • Технологии отключения в сетях среднего напряжения
  • Емкостные токи замыкания на землю в кабельных сетях

Твердотельные диоды

и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

Эта версия (06 июня 2017 г., 16:58) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее утвержденная версия (31 августа 2013 г., 16:16).

Содержание

  • Глава 5: Твердотельные диоды и характеристики диодов

    • 5. 1 Развязка PN

      • 5.1.1 Свойства соединения PN

      • 5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

      • 5.1.3 Прямое смещение

      • 5.1.4 Обратное смещение

      • Краткое описание раздела

    • 5.2 Фактические диоды

    • 5.3 Температурные характеристики диодов

    • 5.4 Линейная модель

    • 5.5 Модель слабого сигнала

      • Резюме раздела

В электронике диод представляет собой двухвыводной компонент с асимметричной характеристикой тока в зависимости от напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением протеканию тока в одном направлении и высоким (в идеале бесконечным) сопротивлением в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристалл полупроводникового материала с PN-переходом, соединенным с двумя электрическими клеммами.

5.

1 Развязка PN

PN-переход образуется путем объединения полупроводников p-типа и n-типа в единую кристаллическую решетку. Термин переход относится к граничному интерфейсу, где встречаются две области полупроводника. Если бы переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву кристаллической решетки, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими примесями, например, путем ионной имплантации, диффузии или эпитаксии (выращивание). например, слой кристалла, легированного примесями n-типа, поверх слоя кристалла, легированного примесями p-типа).

PN-переходы являются элементарными строительными блоками почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; они являются активными сайтами, где происходит электронное действие устройства. Например, распространенный тип транзистора, транзистор с биполярным переходом, состоит из двух последовательно соединенных PN-переходов в форме NPN или PNP.

5.1.1 Свойства соединения PN

PN-переход обладает некоторыми интересными свойствами, которые находят полезное применение в твердотельной электронике. Полупроводник с p-легированием обладает относительной проводимостью. То же самое верно и для n-легированного полупроводника, но соединение между областями p- и n-типа является непроводником. Этот непроводящий слой, называемый обедненным слоем, возникает из-за того, что электрически заряженные носители, электроны в кремнии n-типа и дырки в кремнии p-типа, диффундируют в материал другого типа (9).0075, то есть электронов p-типа и дырок n-типа) и уничтожают друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в обедненной области. Управляя этим непроводящим слоем, PN-переходы обычно используются в качестве диодов: элементов схемы, которые пропускают электричество в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется с точки зрения прямого смещения и обратного смещения, где термин «смещение» относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу. PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором на переходе образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом, V BI .

На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи границы PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа. Когда электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Точно так же более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи интерфейса PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом. Области, непосредственно примыкающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или обедненный слой (см. рис. 5.1).

Рисунок 5.1 PN-переход в равновесии

Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, препятствует процессу диффузии как электронов, так и дырок. Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больший объемный заряд, и электрическое поле, создаваемое объемным зарядом, которое стремится противодействовать диффузии. В состоянии равновесия эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в состоянии равновесия показан на рис. 5.1 синей и красной линиями. Также показаны два уравновешивающих явления, которые устанавливают равновесие.

Область пространственного заряда представляет собой зону с суммарным зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые остались непокрытыми диффузией основных носителей заряда. Когда достигается равновесие, плотность заряда аппроксимируется отображаемой ступенчатой ​​функцией на рис. 5.2. График Q(x). Фактически, область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда, равную чистому уровню легирования), а граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд с обеих сторон интерфейса PN, поэтому она простирается дальше в менее сильно легированную сторону (n-сторона на рисунках 5.1 и 5.2).

Рисунок 5.2

5.1.3 Прямое смещение

При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа по отношению к стороне n-типа перехода. При таком напряжении дырки в p-области и электроны в n-области прижимаются к переходу. Это уменьшает ширину обедненного слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает дырки, а отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Расстояние между электронами и дырками уменьшается по мере того, как они приближаются к переходу. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обедненный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что, следовательно, уменьшало электрическое сопротивление. Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или дырки, которые переходят в материал n-типа), будут диффундировать в области, близкой к нейтральной. Следовательно, величина неосновной диффузии в околонейтральных зонах определяет величину тока, который может протекать через диод.

Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в материале p-типа) могут проходить через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через переход. Прямое смещение вызывает силу, действующую на электроны, толкающую их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узкая, чтобы электроны могли пересечь переход и инжектироваться в материал p-типа. Однако они не продолжают течь через материал p-типа бесконечно, поскольку им энергетически выгодно рекомбинировать с дырками. Средняя длина, которую электрон проходит через материал p-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.

Хотя электроны перед рекомбинацией проникают в материал p-типа лишь на небольшое расстояние, электрический ток продолжается непрерывно, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинировали электроны неосновных носителей. Полный ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение приведет к накоплению заряда с течением времени (это закон Кирхгофа для токов). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов из N в P (электроны и дырки меняются ролями, а знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Таким образом, макроскопическая картина протекания тока через диод включает электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два типа носителей, постоянно рекомбинирующих друг с другом. окрестность (задаваемая диффузионной длиной) соединения. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток имеет одинаковое направление с обеих сторон диода, как и требуется.

5.1.4 Обратное смещение

Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь до тех пор, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод выйдет из строя.

Поскольку материал p-типа теперь подключен к отрицательной стороне приложенного напряжения, отверстия в материале p-типа отодвигаются от соединения, что приводит к увеличению толщины обедненного слоя. Точно так же, поскольку область n-типа соединена с положительной стороной, электроны также будут оттягиваться от соединения. Следовательно, обедненный слой расширяется, и это происходит все больше с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, что позволяет протекать только очень небольшому электрическому току через PN-переход.

Сила электрического поля обедненного слоя увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения. Как только напряженность электрического поля превышает критический уровень, обедненный слой PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов Зенера или лавинного пробоя. Оба этих процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми до тех пор, пока величина протекающего тока не достигает уровня, при котором полупроводниковый материал перегревается и вызывает тепловое повреждение.

Этот эффект выгодно используется в схемах стабилизаторов на стабилитронах. Стабилитроны имеют четко определенное низкое обратное напряжение пробоя по своей конструкции. Типичное значение напряжения пробоя составляет, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может превышать напряжение на аноде более чем на 6,2 В, потому что диод выйдет из строя и, следовательно, будет проводить ток, если напряжение станет еще выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.

Другое приложение, в котором используются диоды с обратным смещением, — это варакторные диоды (переменные конденсаторы). Обедненный слой действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость зависит от ширины изолирующего слоя и его площади. Ширина зоны обеднения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это изменяет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, что одна сторона PN-перехода слегка легирована, поэтому на этой стороне диода будет большая область обеднения. На эту более толстую область также больше влияет приложенное напряжение смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC/ΔV) будет сильно зависеть от приложенного смещения.

Резюме раздела

Свойства прямого и обратного смещения PN-перехода подразумевают, что его можно использовать в качестве диода. Диод с PN-переходом позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через соединение от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен в прямом направлении, электрический заряд течет свободно из-за уменьшенного сопротивления PN-перехода. Однако, когда PN-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.

5.2 Фактические диоды

На рисунке 5.3 ниже дано условное обозначение диода (а) и изображение типичного диода из лаборатории (б). Диоды являются довольно распространенными и полезными устройствами. Диод можно представить как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это чрезмерное упрощение, но хорошее приближение.

(а)

(б)

Рис. 5.3: (a) Схематическое обозначение диода (b) маломощный диод.

Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN-переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, могут быть легированы небольшими концентрациями определенных примесей, чтобы получить материал, который проводит электричество посредством переноса электронов (n-тип) или через дырки (p-тип). Когда слои этих двух типов легированного полупроводника создаются для формирования PN-перехода, электроны мигрируют со стороны n-типа, а дырки мигрируют со стороны p-типа, как показано на рисунке. 5.1. Это перераспределение заряда приводит к возникновению потенциальной щели V BI через перекресток, как показано на рисунке. Этот разрыв равен VBI ~ 0 . 7 V для кремния и ~ 0 . 3 V для германия.

Рис. 5.4. PN-переход, образующий зазор напряжения на переходе.

Когда этот диод PN-перехода теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличить или уменьшить встроенный потенциальный зазор. Это приводит к очень различному поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано типичным V — I участок рисунка. 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рис. 5.6, зазор увеличивается, и через переход протекает очень небольшой ток (до тех пор, пока в этом примере при напряжении ~ 6,2 В не произойдет пробой поля). И наоборот, конфигурация с прямым смещением уменьшает зазор, приближаясь к нулю при внешнем напряжении, равном напряжению зазора, и ток может протекать легко.

Выражение для напряжения диода (прямого смещения) В D выглядит следующим образом:

(5.1)

Где:
В D = приложенное напряжение на диоде
k = постоянная Больцмана (1,38E-23 Дж/Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1,6E-19 Кулоны)
I D = фактический ток через диод
I S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(так называемое тепловое напряжение, V T , равно кт/кв = 26 мВ при комнатной температуре. )

Вышеприведенное уравнение можно преобразовать, чтобы получить I D :

(5.2)

Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя как разомкнутый ключ; а при прямом смещении для токов около 10 мА или больше диод дает почти постоянное падение напряжения ~0,7 В . Диффузионный ток I S, зависит от уровня легирования примесями n- и p-типа, площади диода и (в значительной степени) от температуры. Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I S =1E -16 .

Рисунок 5.5: Напряжение, В D в зависимости от тока, I D поведение диода

Противоположные заряды в полупроводниковом переходе ничем не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Таким образом, у каждого перехода есть емкость; но поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения. Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в области прямого смещения.

Рисунок 5.6. Поведение стабилитрона на 6,2 В в зависимости от напряжения.

Еще одна вещь, которую следует отметить в отношении реальных диодов, — это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не занимаемое областью обеднения. Для обычной концентрации 5E 15 (атомов примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в ИС около 25 В), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом·см для легированного фосфором (n-типа) кремния и 3 Ом-см для бора (p-типа). Для сравнения, такой металл, как алюминий, имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, медь 1,7 мкОм-см. Объемное удельное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).

5.3 Температурные характеристики диодов

Из уравнения напряжения диода (5.1) видно, что оно содержит абсолютный температурный член T. Кроме того, диффузионный ток I S на самом деле не является постоянным, а сильно зависит от температуры. На нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры представлено для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА , синий = 2 мА , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из кривых видно, что напряжение на диоде имеет достаточно сильную отрицательную температурную зависимость.

На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА, а также разница между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг над другом. Причина этого становится очевидной, если мы более внимательно изучим уравнение напряжения диода.

Рисунок 5.7 Напряжение диода в зависимости от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА

(5.3)

Переставляя и принимая I S1 = I S2 , получаем:

(5.4)

Теперь сильный температурный эффект I S выпадает из уравнения, и у нас остается только абсолютный температурный член T, который делает ΔV D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT). Оба V D2 — V D1 и V D4 — V D3 имеют одинаковый 2: 1 -й коэффициент для их вводов и, таким образом друг над другом. При комнатной температуре тепловое напряжение V T составляет около 26 мВ , что при умножении на ln(2) дает приблизительно 18 мВ, показанные на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I — В прямой линией, которая касается фактической кривой в точке смещения постоянного тока. На рис. 5.8 показана кривая с касательной в точке ( V D , I D ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В Д0 . Для небольших изменений V D и I D относительно точки касания линия касания дает хорошее приближение к фактической кривой.

Рисунок 5.8 Характеристики I- V с касательной в точке ( V D , I D )

Наклон касательной определяется выражением:

(5.5)

I D часто намного больше, чем I S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5.6)

Уравнение касательной:

(5.7)

Поскольку уравнение диода для I D как функция V D нелинейно, инструменты линейного анализа цепей нельзя применять к схемам, содержащим диоды, так же, как к цепи, содержащей только резисторы. Однако, если ток диода известен для определенного напряжения, можно использовать линейный анализ цепи, чтобы предсказать изменение тока для данного изменения напряжения, при условии, что изменение мало. Такой подход называется анализом малых сигналов. Несколько слов об обозначениях:

Где:
В D и I D — значения смещения постоянного тока, а v d и i d — малосигнальные изменения относительно значений смещения.

Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v d к i d и определяется как:

(5.8)

Это приводит к тому же r d , что и в линейной тангенциальной модели диода на рис. 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении представляет собой резистор номиналом r д . Значение r d обратно пропорционально току через него. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое. Из модели линейного диода следует, что r d графически можно интерпретировать как обратную величину наклона кривой i D по сравнению с v D в точке ( V D , I D ) .

Резюме раздела

  1. Полупроводники содержат два типа подвижных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.

  2. Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые представляют собой электроны.

  3. Полупроводник может быть легирован акцепторными примесями (легирование р-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.

  4. Существует два важных механизма протекания тока в полупроводнике:

    1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и

    2. дрейф носителей в электрическом поле.

  5. В состоянии равновесия встроенный потенциал или потенциальный барьер в В BI В на PN-переходе.

  6. При подаче напряжения прямого смещения В ДФ встроенный потенциал снижается до В БИ — В Д , и ток течет через диод при V DF больше V BI .

  7. При приложении напряжения обратного смещения В DR высота потенциального барьера увеличивается до В BI + В DR и может протекать небольшой ток.

  8. Когда В БИ + В ДР больше некоторого критического напряжения, при котором электрическое поле выше диэлектрической прочности полупроводника, происходит обратный пробой перехода и потечет ток.

  9. Общий ток диода I D зависит от приложенного напряжения В D на

ADALM1000 Лабораторное занятие 2. Кривые I/V диода
ADALM1000 Лабораторное занятие, Зависимая от напряжения емкость PN-перехода

ADALM2000 Лабораторное занятие 2. Кривые I/V диода
ADALM2000 Лабораторное занятие, Зависимая от напряжения емкость PN-перехода
ADALM2000 Лабораторная работа: датчик дифференциальной температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к оглавлению

университет/курсы/электроника/текст/глава-5. txt · Последнее изменение: 06 июня 2017 г., 16:58, автор: Doug Mercer

Важность постоянного напряжения самосмещения в плазменных приложениях
/

В плазменных процессах реактивного ионного травления (РИТ) параметр, известный как напряжение самосмещения постоянного тока, является важным «ручкой управления» для энергии ионов. В зависимости от конкретного применения инженер-технолог может манипулировать этим параметром для достижения желаемого эффекта. Вообще говоря, более высокое собственное смещение по постоянному току приводит к более высокой скорости ионного травления.

Когда электрическое поле РЧ воздействует на вакуумную камеру, электроны движутся туда-сюда под действием электрического поля и ударяются о питаемый электрод каждую вторую половину цикла РЧ. Блокировочный конденсатор, обычно доступный в сети настройки, действует как проводник для ВЧ-поля переменного тока, но также действует как изолятор для самоиндуцируемого поля постоянного тока. Столкновение электронов с электродом, находящимся под напряжением, позволяет создать отрицательное поле постоянного тока в дополнение к полю переменного тока. Этот отрицательный потенциал является самосмещением постоянного тока.

На рис. 1 ниже показано типичное распределение плазмы по камере и ее усредненные по времени значения электрических потенциалов в стационарном состоянии. На рисунке области A и B представляют собой «ионные оболочки», которые обычно представляют собой слои толщиной в несколько миллиметров, расположенные между объемом плазмы и электродами (стенки камеры — анод и электрод с питанием — катод).

Толщина оболочки обратно пропорциональна плотности плазмы и рабочему давлению процесса.

Рисунок 1 : Иллюстрация распределения плазмы (заземленная камера) и электрического потенциала (электрод) в процессе реактивного ионного травления.

Масса плазмы находится под более высоким потенциалом, чем электрод. Ионы постоянно бомбардируют электрод в ответ на разность потенциалов. Большое количество ионов, присутствующих в плазме, не может быстро реагировать на ВЧ-поле, но самосмещение постоянного тока ускоряет их по направлению к электроду, находящемуся под напряжением. Эти ионы приобретают среднюю энергию (эВ), эквивалентную сумме собственных смещений постоянного тока V dc и потенциал плазмы V pp (DC BIAS = -V dc + V pp ) [1].

Факторы, влияющие на самосмещение по постоянному току
Факторы, влияющие на самосмещение по постоянному току:

  • Соотношение между площадями заземляющего и питающего электродов
  • Давление в камере, поскольку самосмещение обратно пропорционально
  • ВЧ-мощность в прямом направлении, поскольку самосмещение пропорционально
  • Тип газа

При проектировании плазменной системы механическая конструкция камеры обычно определяется такими факторами, как размер и количество продукта, требуемая производительность, тип плазмы и т. д. По этой причине после проектирования соотношение между анодом и катодом больше не может быть изменено. Это ограничение может повлиять на общее качество конструкции плазменной системы, так как только этот фактор может определить разницу между высокоэффективной или малоэффективной системой.

Напряжение самосмещения постоянного тока можно увеличить, уменьшив давление в камере. Его зависимость от давления связана со средней длиной свободного пробега электронов, которая определяет среднее расстояние, которое проходит частица до столкновения. Большая длина свободного пробега приведет к более высокому постоянному напряжению самосмещения, и его обратно пропорциональна давлению определяется кинетической теорией газа [2].

Прямая радиочастотная мощность способствует пропорциональному увеличению собственного смещения по постоянному току. Хотя это можно рассматривать как линейный вклад, в действительности коэффициент пропорциональности может варьироваться в зависимости от текущего давления процесса.

Наконец, тип газа, который используется в процессе, также дает другой результат. На рис. 2 ниже показан пример изменения собственного смещения по постоянному току в реакторе, в котором сохраняются все переменные, за исключением типа газа. Из-за более низкой электронной плотности и более высокой температуры электронов напряжение самосмещения в Ar/Cl 2 выше по сравнению с чисто Ar плазмой [3].

Рис. 2. Зависимость собственного смещения от давления для чистого Ar и плазмы смеси Ar/Cl 2 для электрода того же диаметра [3]

намного эффективнее, чем на заземляющем электроде, в некоторых приложениях желательно избегать агрессивного ионного травления, чтобы предотвратить повреждение чувствительных к ионам продуктов. Этого можно добиться, взяв заземляющий электрод в качестве основы для процесса плазменного травления (ПЭ).

Плазменное травление широко используется в процессах мягкого травления и плазменной очистки. Изделие обычно находится на заземленном или плавающем держателе потенциала и полностью погружено в облако плазмы.

Особенно в химической плазме воздействие большого количества радикалов, присутствующих в плазменном облаке, может дать очень удовлетворительные результаты с точки зрения травления и/или активации поверхности.

SCI Automation Pte Ltd проектирует и производит высококачественные плазменные системы, которые позволяют гибко переключаться между процессами RIE и PE, обеспечивая очень высокую однородность распределения газа и ВЧ. Другая конфигурация, которую мы поставляем, представляет собой плазму ниже по потоку, в которой ионы и электроны отфильтровываются сеткой Фарадея, оставляя поток свободных радикалов и нейтральных частиц продукту для безионной плазмы. Плазму ниже по потоку также можно эффективно использовать для фильтрации нежелательного УФ-излучения. Специальные конструкции на выходе позволяют нам создавать эффективные конфигурации «ионной ловушки» и «УФ-ловушки».

Опубликовано

в

от

admin

Метки:

Комментарии

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *