Как выглядит полупроводник в автомобиле

Как выглядит полупроводник в автомобиле

Полупроводниковые приборы и их использование на автомобиле

Кроме проводников и изоляторов имеются вещества, которые занимают промежуточное положение между ними и называются полупроводниками. Их сопротивление прохождению тока больше, чем проводников, но меньше, чем изоляторов. Полупроводниковые приборы изготавливают из полупроводниковых материалов, среди которых наибольшее распространение получили четырехвалентные элементы германий и кремний.

При введении в чистый полупроводниковый материал примеси пятивалентного вещества, например сурьмы или мышьяка, образуется избыток свободных электронов.

Свободные электроны в кристалле являются электронами проводимости, и если в полупроводнике действует электрическое поле, то свободные электроны движутся направленно, создавая в полупроводнике ток. Электропроводность полупроводника, обусловленная направленным движением свободных электронов, называется электронной проводимостью, или проводимостью типа п (от латинского слова «негатив» — отрицательный).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

• Охлаждающие жидкости двигателя автомобиля и требования к ним
• Масла для дизельных двигателем
• Кабина и ее оборудование автомобиля
• Техническое обслуживания тормозной системы
• Многоконтурный пневматический тормозной привод
• Одноконтурный пневматический тормозной привод
• Вспомогательная тормозная система
• Стояночная тормозная система
• Рабочая тормозная система

В атоме, потерявшем электрон, образуется свободное место— «дырка». На это место из соседнего атома может перейти валентный электрон, на месте которого возникает дырка. Таким образом, дырка подобно электрону будет блуждать по кристаллу. При наличии внешнего электрического поля возникает направленное движение дырок, противоположное движению электронов. Направленное движение дырок вызывает прохождение электрического тока. Подвижность дырок меньше подвижности электронов. Электропроводность полупроводника, возникающая за счет направленного движения дырок, называется дырочной проводимостью или проводимостью типа р (от латинского слова «позитив» — положительный).

В полупроводнике типа п электроны называют основными носителями тока, а дырки — неосновными. В полупроводнике типа р дырки относят к основным носителям, а электроны — к неосновным.

Таким образом, полупроводниковым диодом (электрическим вентилем) называется прибор, обладающий односторонней проводимостью и имеющий один электронно-дырочный (р—п) переход и два вывода для подключения в цепь.

В электрооборудовании автомобилей диоды нашли широкое применение для выпрямления переменного тока генератора.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы:
1 —пластина германия с проводником типа; 2 — индий, вплавленный в пластину германия; 3 — область с проводимостью типа р; 4. 5 — вы воды (анод и катод соответственно); 6 — ширина перехода

Диод, предназначенный для поддержания постоянной величины напряжения (стабилизации напряжения), называется стабилитроном или опорным диодом. Стабилитрон представляет собой разновидность кремниевого диода с повышенным содержанием носителей зарядов в полупроводниках. При определенной величине обратного напряжения, называемого напряжением пробоя или напряжением стабилизации, происходит резкое увеличение проводимости в обратном направлении. В отличие от диода в стабилитроне этот процесс является обратимым, т. е. при уменьшении обратного напряжения до определенной величины проводимость стабилитрона в обратном направлении прекращается. Стабилитроны применяются в транзисторных регуляторах напряжения и в транзисторных системах зажигания. Условное обозначение стабилитрона на схемах показано на рис. 1, д.

Рис. 2. Схемы подключения и условные обозначения транзисторов:
а — типа р —п — р; 6 — типа п— р — л

Транзистор — это полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами. В переводе с английского транзистор означает трансформатор сопротивления. Он содержит два р—/г-перехода и три вывода для подключения в электрическую цепь.

Один из выводов соединен с базой, т. е. основанием транзистора, другой—с эмиттером и предназначен для эмиттиро-вания, т. е. введения носителей электрических зарядов в базу, а третий—с коллектором; он является собирателем этих зарядов Транзисторы, у которых плюс подключен к эмиттеру, а минус — к коллектору, называют транзисторами прямой проводимости (типа р — п — р) и, наоборот, у транзисторов обратной проводимости (типа п — р — п) плюс подключается к коллектору, а минус— к эмиттеру.

На базу транзистора подается малый ток управления проводимостью р — «-переходов, а по цепи эмиттер — коллектор “Ротекает значительно больший ток. Таким образом, транзистор обладает усилительными свойствами и может работать как в режиме усиления, так и в режиме переключения.

Схема подключения транзистора прямой проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, а.

При соответствующем потенциале базы носители зарядов 113 эмиттера (источника электрических зарядов) проходят к коллектору (собирателю электрических зарядов) и в цепи нагрузки появляется ток.

При подаче на базу отрицательного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 1) в цепи эмиттер — база транзистора прямой проводимости появится управляющий ток, что и обеспечит протекание тока в цепи нагрузки эмиттер—коллектор, т. е. транзистор откроется.

В случае подачи на базу положительного потенциала (переключатель П соединить с клеммой 2) транзистор закроется (переход эмиттер — коллектор обладает большим сопротивлением). Если на базе транзистора управляющий потенциал отсутствует (цепь базы разомкнута), то транзистор будет закрыт.

Схема подключения транзистора обратной проводимости и его условное обозначение показаны на рис. 2, б.

Эмиттер транзистора обратной проводимости соединяют с отрицательным полюсом источника тока. При подаче на базу положительного потенциала, в цепи эмиттер —база транзистора обратной проводимости появится управляющий ток и транзистор откроется. При подаче на базу отрицательного потенциала транзистор закроется.

Таким образом, управляя весьма малым током базы транзистора, можно бесконтактно включать и выключать значительный ток в цепи эмиттер — коллектор. В реле-регуляторах и системах зажигания транзисторы работают в двух устойчивых состояниях: «открыт» и «закрыт».

Как выглядит полупроводник в автомобиле

Транзисторная (полупроводниковая) система зажигания

Кроме рассмотренной выше системы батарейного зажигания, за последнее время начинает внедряться в практику усовершенствованная система зажигания, использующая положительные свойства полупроводниковых элементов и получившая название контактно-транзисторной системы зажигания.

Такая система, как и обычная, включает: катушку зажигания, но с измененными обмоточными данными; обычный прерыватель — распределитель с центробежным и вакуумным регуляторами момента зажигания, но без конденсатора; свечи зажигания. Дополнительно в систему входят: транзисторный коммутатор, состоящий из германиевого полупроводникового элемента — транзистора, специального трансформатора и блока защиты транзистора.

Так, в серийном транзисторном коммутаторе типа ТК-102 (рис. 1, а, б) применен германиевый транзистор (типа ГТ701А), работающий совместно с трансформатором и сопротивлением. Клеммы транзистора соединены с массой, с прерывателем обычного типа и с первичной обмоткой катушки зажигания типа Б-114, обеспечивающей получение вторичного тока более высокого напряжения, чем в обычной катушке (20—26 тыс. е). Это достигается более высоким соотношением числа витков вторичной и первичной обмоток катушки (соответственно 41 500 и 180 витков).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

• Электродвигатели в автомобиле
• Установка зажигания
• Техника безопасности при техническом обслуживании автомобильного электрооборудования
• Анализатор двигателя К461
• Диагностический прибор Э214
• Система управления экономайзером принудительного холостого хода автомобилеи ВАЗ-2108, -2109
• Система управления экономайзером принудительного холостого хода автомобиля ВАЗ-2105
• Система ступенчатого впуска воздуха
• Стеклоочиститель

Первичная обмотка катушки через добавочное сопротивление, которое может замыкаться выключателем, соединена с плюсовой клеммой батареи.

.За счет того, что в транзисторе имеются две цепи: управления (база— эмиттер) и силовая цепь (коллектор — эмиттер), он выполняет роль выключателя, автоматически замыкающего и размыкающего силовую цепь на первичную обмотку катушки зажигания под влиянием слабого тока управления, поступающего в транзистор через прерыватель.

При замыкании контактов прерывателя по цепи управления транзистора (база — эмиттер) начинает проходить незначительный по своей величине ток (0,3—0,8 а), под действием которого силовая цепь транзистора (коллектор — эмиттер) открывается, и через первичную обмотку 6 катушки проходит от батареи 10 первичный ток, больший по своей величине (около 7 а), чем обычно, и не снижающийся при значительном повышении числа оборотов двигателя. При размыкании контактов прерывателя 12 ток в цепи управления транзистора исчезает, и транзистор резко запирает силовую цепь, размыкая цепь первичной обмотки 6 катушки. Вследствие этого во вторичной обмотке катушки индуктируется высокое напряжение, подводимое распределителем 8 обычного типа к электродам свечей зажигания, имеющих более значительный искровой зазор, чем обычно (1,0—1,5 мм). Это обеспечивает высокую надежность воспламенения горючей смеси.

Специальный трансформатор с сопротивлением, подключенные к транзистору, ускоряют процесс размыкания силовой цепи, способствуют повышению напряжения вторичного тока и расширяют температурный диапазон устойчивой работы транзистора.

Блок защиты, включающий конденсаторы и сопротивление, улучшает работу транзистора при его запирании, уменьшая рассеиваемую им энергию, а кремниевый стабилитрон (типа Д817В) и германиевый диод (типа Д7Ж) защищают транзистор от перенапряжений, которые могут возникнуть при отсоединении высоковольтных проводов или от импульсных перенапряжений, могущих возникнуть при отключенной батарее.

Рис. 1. Контактно-транзисторная система зажигания: а — транзисторный коммутатор типа ТК-102; б — схема системы зажигания

При контактно-транзисторной системе зажигания значительно снижается ток, проходящий через контакты прерывателя, используемый лишь для управления транзистором. Также снижается ток самоиндукции, возникающий при размыкании контактов. Это резко повышает срок службы контактов, которые практически почти не изнашиваются, и позволяет отказаться от конденсатора. Кроме того, при этой системе за счет более резкого исчезновения первичного тока, имеющего большую величину, и измененных обмоточных данных катушки возрастает напряжение вторичного тока, имея стабильный характер при значительных изменениях числа оборотов двигателя. Это дает возможность при повышенном зазоре между электродами свечей повысить интенсивность искрообразования в свечах и обеспечить высокую надежность работы системы зажигания и двигателя даже при весьма высоких его максимальных числах оборотов. Из-за этих положительных качеств контактно-транзисторная система зажигания получает на отечественных автомобилях все большее распространение ( ЗИЛ -130, ЗИЛ -131 и др.).

Полупроводниковые технологии в автомобилестроении

Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

1. Электрическая проводимость твердых тел
   • Проводники (металлы)
   • Диэлектрики (изоляторы)
   • Полупроводники
2. Легирование полупроводников
   • Электрическая проводимость полупроводников
   • n-легирование
   • p-легирование
   • Собственная электропроводность
3. p-n-переход
   • р-n-переход без внешнего электрического напряжения
   • р-n-переход с внешним электрическим напряжением

Электрическая проводимость твердых тел

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

Лаборатория полупроводников Audi

Системы беспилотной езды, внедрение электронных компонентов в силовые установки и объединение автомобилей в сеть – в основе всех этих инноваций лежат полупроводниковые технологии. «Более 80 процентов всех инноваций в современных автомобилях стали возможными благодаря микроэлектронике», — так сказал Стефан Саймон, эксперт по полупроводникам из отдела контроля качества. «В общей сложности в современном автомобиле используется порядка 8000 полупроводников в 100 взаимосвязанных блоках управления. Вычислительная мощность каждого из этих устройств выше, чем у первой ракеты, долетевшей до луны».

Полупроводниковая лаборатория Audi Semiconductor Lab работает по принципам и методикам превентивного менеджмента качества. Лаборатория выполняет важную функцию связи между разными подразделениями – она является центром контроля качества и анализа проводников, а также в ней занимаются технологиями сборки и подключения. Все это работает как внутри компании, так и при сотрудничестве с партнерами из промышленной и исследовательской отраслей.

Также лаборатория является экспертным органом, поскольку осуществляет межотраслевую и междисциплинарную оценку компонентов и сборок, а также в ней изучаются сборочные и производственные процессы. Еще одна ее задача – квалификация сотрудников разных специальностей. Столь широкий спектр полномочий и возможностей делает Audi Semiconductor Lab абсолютно уникальной во всей европейской автомобильной промышленности.

Эксперты лаборатории оценивают различные компоненты (собственные сборки модулей управления) на предмет их пригодности, надежности и качества сборки. На ранних этапах разработки сотрудники составляют и проверяют требования, которым должен соответствовать чип, который позже будет использоваться в автомобилях (и эти требования заметно отличаются о тех, которые используются в других отраслях). Средний срок службы смартфона составляет два года, а у автомобиля – около 15 лет. Более того, сценарии использования и нагрузки, которым подвергаются автомобили, несравнимы с теми, с которыми сталкиваются смартфоны. «Полупроводники должны проектироваться и изготавливаться так, чтобы учитывались перепады температур, влажность и вибрации, возникающие в автомобиле», пояснил эксперт по полупроводникам Оливер Зентфлебен.

Также компоненты проверяются на предмет устойчивости к временному износу, поскольку в автомобиле процессы могут возникать процессы ускоренного старения. Среди различных исследований в этой области можно выделить ускоренное старение в термальной камере. Также физический анализ применяется для изучения производственных качеств устройств и их поведения при старении.

Рентгеновский анализ

В лаборатории установлен современный рентгеновский аппарат и сканирующий электронный микроскоп. Для проведения особых процедур анализа полупроводниковых чипов специалисты лаборатории работают вместе с коллегами из лаборатории материаловедения.

Например, они совместно осуществляют пробоподготовку с помощью пучков сфокусированных ионов (FIB) (используя сканирующий электронный микроскоп, испускающий пучки сфокусированных ионов). Все эти методы могут применяться для проверки блоков управления на предмет возникновения серийных и технологических ошибок.

Цифровизация

За последние годы приоритеты заметно поменялись. Несмотря на то, что водители сравнивают характеристики разных и транспортных средств и обращают внимание на их дизайн, также они ожидают внедрения современных технологий. В качестве примера таких технологий можно привести систему передачи данных о движении Audi Connect, подключение и интеграцию смартфонов, а также современные системы помощи водителю.

Чтобы удовлетворить клиентским требованиям, автомобильная промышленность должна все чаще использовать и внедрять передовые технологии. Раньше компоненты считались пригодными для использования в автомобилях после нескольких лет использования в бытовой электронике. Сейчас же новые компоненты появляются в автомобилях намного быстрее, а чтобы гарантировать высокую производительность, они проходят предварительные проверки. Чтобы гарантировать высокие стандарты качества, Audi Semiconductor Lab занимается формированием требований и оценкой технологий. Различные стандарты потребительского сектора (например, температуры от 0 °C до 40 °C) сравниваются с автомобильными (от -40 °C до 125 °C ), а также проверяются требования к сроку службы. Так, например, приложение Audi MMI можно использовать для просмотра состояния автомобиля, управления климат-контролем или проверки уровня заряда. Таким образом, автомобиль постоянно подключен к элементам инфраструктуры и взаимодействует с ними, что заметно увеличивает срок безотказной работы компонентов для сетевого взаимодействия. Также стоит отметить, что некоторые автомобильные приложения будут эксплуатироваться как «постоянно работающие».

autoSWIFT — электронные компоненты для автомобильной промышленности

Чтобы соответствовать высоким темпам инноваций в отрасли и иметь возможность быстро реагировать на новые разработки, AUDI AG сотрудничает с ведущими компаниями в области полупроводников и электронной промышленности. Так, например, будут заложены основы стандартизированной оценки технологий вместе с FZI Forschungszentrum Informatik, Globalfoundries, HOOD GmbH, Infineon Technologies AG и Robert Bosch GmbH. Исследовательский проект autoSWIFT подразумевает «ускорение циклов разработки электронных систем по всей цепочке создания добавленной стоимости автомобилей». Программа нацелена на внедрение в автомобили инновационных и высококачественных электронных компонентов, основанных на новейших производственных технологиях, причем разработка и интеграция должны осуществляться быстрее, чем раньше. Что касается требований, которые будут предъявляться к процессам разработки в будущем, в настоящее время сотрудники исследуют как можно превратить цепочку создания добавленной стоимости в полноценную сеть.

Bond Tester

«Сотрудничество компаний и междисциплинарные совместные разработки призваны оценить пригодность технологий на этапе разработки и интегрировать их в процессы проектирования продуктов на ранних этапах», объясняет Гельмут Лохнер, эксперт из Audi Semiconductor Lab и руководитель проекта autoSWIFT. Такой подход позволит привести полупроводниковые технологии в соответствие с высокими стандартами качества автомобильной промышленности.

Технологии освещения

В новых Audi A8 и Audi TT RS (общий расход топлива в литрах на 100 км: 8.2 — 8.5, выбросы CO2 в граммах на км – 187 — 194) компания использует новые системы заднего освещения с использованием технологии OLED. В отличие одноточечных источников света (таких, как светодиоды) OLED-устройства являются поверхностными источниками. Их свечение выводит однородность подсветки на новый уровень. Они не отбрасывают резких теней и не требуют отражателей, светодиодов и других оптических компонентов. Все это делает OLED-блоки эффективными и легкими, а их требования к пространству – минимальными. Разделение OLED-подсветки на небольшие индивидуально управляемые сегменты с трехмерным расположением позволяет разрабатывать новые сценарии освещения, которые дают дизайнерам больше творческой свободы в проектировании и анимации.

В каждом OLED-устройстве содержится два электрода (по крайней мере один из них – прозрачный) и множество тонких слоев из органических полупроводниковых материалов. Низкое напряжение заставляет эти слои (они в 200 раз тоньше человеческого волоса) светиться. Все это позволило Audi перенести свое ДНК в современные технологии.

Сотрудники лаборатории принимали участие в многоступенчатом процессе тестирования, которому была подвергнута эта технология перед внедрением в серийное производство. Испытания варьировались от разработки конкретных модулей реализации и проверки базовой технологии и OLED до тестирования задний фонарей в сборе. Особое внимание уделялось уникальным аспектам использования, характерным автомобильной индустрии (например, ускоренному старению, вызванному окружающей средой или обычному пассивному старению).

Первое в истории использование OLED-блоков в автомобильной индустрии потребовало разработки и анализа конкретных параметров этой технологии. Audi Semiconductor Lab совместно с отделом технического развития провели полную оценку технологии для разных приложений еще на этапе ее разработки. В самой технологии и производственных процессах продуктов, использующих ее, были выявлены и устранены слабые места. Требования к технологии OLED были определены для будущих проектов и закреплены в качестве стандартов.

Электрификация

Audi активно работает над электрификацией своих систем и разрабатывает концепции экологичной мобильности. Частью этих проектов является силовая электроника – сердце любого электрифицированного автомобиля. Ядром этих систем являются инверторы с широтно-импульсной модуляцией (с точки зрения технологий, это один из наиболее требовательных компонентов).

Это устройство преобразует постоянное напряжение от высоковольтной батареи в трехфазный переменный ток для питания электродвигателя. Высокопроизводительные полупроводники в инверторах занимают примерно 1 квадратный сантиметр. Каждый из них должен передавать ток силой в 100 ампер с частотой 10 кГц. Несмотря на эффективное охлаждение, возникающие в результате потери мощности в кристалле приводят к быстрому старению электрических контактных соединений.

Начиная с Audi Q5 hybrid quattro (2011 г.), затем Audi Q7 e-tron quattro (2016 г .; расход топлива в в л / 100 км: 1,8 – 1,9; расход энергии в кВтч / 100 км: 18,1–19,0; выбросы CO2 в г / км: 48-50) и для будущей Audi e-tron (2018), сотрудники Semiconductor Lab сделали многое для технологического развития силовой электроники. Так, например, они оценивали технологические соединения между микросхемами и радиаторами, за счет чего проверяли тепловые характеристики. Механизмы старения, при этом, оценивались наравне с техническими процессами, применяемым к отдельным технологиям. К техническим процессам относят пайку, сварку и обжиг – так называемые технологии монтажа и соединения. Результаты работы экспертов имели фундаментальное значение для создания общекорпоративной нормы, которая была частично переработана в немецкий промышленный стандарт в 2017 году.

RoBE — надежность креплений в электромобилях

Чтобы обеспечить надежное прогнозирование сроков службы каждого крепления на этапе использования, Audi объединила усилия с партнерами из отрасли и сторонних исследователей в проекте RoBE (надежность креплений в электромобилях). Цель этого проекта в том, чтобы как минимум вдове увеличить срок службы потребительской электроники. Проект, в котором также участвуют исследовательские институты Fraunhofer IZM и Fraunhofer ILT, нацелен на формирование более глубокого понимания разнообразия и взаимных зависимостей в технологиях соединения. В настоящее время разрабатываются новые технологии (такие как лазерная сварка) и исследуются новые материалы, котроые позволяет преодолеть современные ограничения.

Наиболее важным стимулом для проведения совместных исследований инновационных решения исследовательскими институтами является объединение компетенций на всей цепочки разработки продуктов. Критериев оценивания и стандартов испытания для новых технологий зачастую просто не существует. Таким образом, Semiconductor Lab участвует в разработке спецификаций качества на самых ранних стадиях различных проектов и способствует их продвижению в различных отраслях.

Автоматизация вождения

Новая Audi A8 – это первый в мире серийный автомобиль, предназначенный для частичного использования систем беспилотной езды 3 уровня в соответствии с международными стандартами. Система Audi AI может брать на себя управление в медленном транспортном потоке со скоростью до 60 км/ч, на шоссе и на многополосных дорогах с физическим барьером, разделяющим полосы. Во время езды под управлением ИИ центральный контроллер (zFAS) непрерывно анализирует сведения об окружающей среде, объединяя данные с разных датчиков. Также Audi стала первой компаний, в автомобилях которой используются лазерные сканеры.

Сканер увеличивает угол обзор радара дальнего действия с 35 до 145 градусов. Благодаря широкому полю зрения автомобиль сможет раньше распознавать других участников дорожного движения и интерпретировать их поведение (например, выезд из полосы движения). «Представьте, что лазерный сканер испускает лучи света, которые сканируют окружение автомобиля за доли секунды», сказал Роберт Краус, эксперт по производственным технологиям в Semiconductor Lab. Вращающееся зеркало в компактном корпусе направляет лучи мощного диода по области сканирования. Новый сканер не просто обнаруживает препятствия, он также может определять точное расстояние до них. Это делается путем измерения времени между испусканием луча и его обнаружением на фотодиоде.

Сотрудники Semiconductor Lab готовились к внедрению лазерных сканеров в новой A8 c 2014 года. В сотрудничестве с Technical Development они разработали исчерпывающие спецификации для самой детали и ее компонентов. Прежде чем впервые быть использованными в автомобильной индустрии, лазерные диоды применялись в бытовой электронике, а еще раньше они подвергались многочисленным испытаниям и анализам в различных лабораториях. На основе результатов этих тестов была проведена оптимизация производственных процессов для диодов с целью удовлетворения требованиям к качеству.

• Блог компании НПП ИТЭЛМА
• Производство и разработка электроники
• Научно-популярное
• Транспорт