Site Loader

Содержание

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

На главную

Uкэ………………… постоянное напряжение коллектор-эмиттер

Uкэо,гр……………. граничное напряжение

Uкэо……………….. постоянное напряжение коллектор-эмиттер при токе базы, равном нулю
UкэR……………… постоянное   напряжение   коллектор-эмиттер  при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк……………….. постоянное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх……………….. постоянное  напряжение  коллектор-эмиттер  при заданном обратном напряжении база-эмиттер
UкэR,и…………… импульсное  напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк,и…………….. импульсное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх,и…………….. импульсное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном обратном напряжении база-эмиттер
Uкэо,проб.

……… пробивное напряжение коллектор-эмиттер при токе базы, равном нулю
UкэR,проб……… пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном сопротивлении в цепи база-эмиттер
Uкэк,проб………. пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер  при короткозамкнутых выводах базы и эмиттера
Uкэх,проб………… пробивное   напряжение   коллектор-эмиттер   при заданном обратном напряжении база-эмиттер
Uкэ,макс………….. максимально допустимое  постоянное   напряжение коллектор-эмиттер
Uкэ,и,макс……… максимально допустимое  импульсное  напряжение коллектор-эмиттер

Uкб……………….. постоянное напряжение коллектор-база

Uкб, и…………….. импульсное напряжение коллектор-база

Uкбо, проб………… пробивное напряжение коллектор-база при токе базы, равном нулю
Uкб, макс………… максимально допустимое  постоянное   напряжение коллектор-база
Uкб,и,макс…….. максимально допустимое  импульсное  напряжение коллектор-база
Uэбо, проб. ………. пробивное напряжение эмиттер-база при токе базы, равном нулю

Uэб………………… постоянное напряжение эмиттер-база

Δ Uбэ…………….. падение напряжения на участке база-эмиттер

Uэб,макс…………. максимально  допустимое   постоянное   напряжение эмиттер-база

Uси………………. напряжение сток-исток

Uзи ………………. напряжение затвор-исток

Uип………………. напряжение исток-подложка

Uси,макс……….. максимально допустимое напряжение сток-исток

Uзи,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-исток

Uзс,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-сток

Uсп,макс……….. максимально допустимое напряжение сток-подложка

Uип,макс………. максимально допустимое напряжение исток-подложка

Uзп,макс……….. максимально допустимое напряжение затвор-подложка

Uзи пор…………. пороговое напряжение полевого транзистора

Uзи отс………….. напряжение отсечки

Uп. ………………… напряжение литания

Iк…………………… постоянный ток коллектора

Iэ…………………… постоянный ток эмиттера

Iб………………….. постоянный ток базы

Iк,и………………… импульсный ток коллектора

Iэ,и………………… импульсный ток эмиттера

Iб,и ………………. импульсный ток базы

Iкр…………………. критический ток биполярного транзистора

Iк,нас ……………. постоянный ток коллектора в режиме насыщения

I,нас………………. постоянный ток базы в режиме насыщения

Iк,макс…………… максимально допустимый постоянный ток коллектора

Iэ,макс…………… максимально допустимый постоянный ток эмиттера

Iб,макс………….. максимально допустимый постоянный ток базы

Iк,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток коллектора

Iэ,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток эмиттера

Iкбо………………. обратный ток коллектора

Iэбо. ……………… обратный ток эмиттера

IкэR……………….. обратный ток коллектор-эмиттер

Iс,макс ………….. максимально допустимый постоянный ток стока

Iс,ост……………… остаточный ток стока

Iз(пр),макс……… максимально допустимый прямой ток затвора

Iс,и,макс………… максимально допустимый импульсный ток стока

Iс нач …………….. начальный ток стока

Iз ут……………….. ток утечки затвора

Сг…………………… емкость генератора

Сэ………………….. емкость эмиттерного перехода

Ск………………….. емкость коллекторного перехода

С11 и………………. входная емкость полевого транзистора

С22  и…………………………… выходная емкость полевого транзистора

C12 и………………. проходная емкость полевого транзистора

Сзсо………………. емкость затвор-сток при отсоединенном выводе истока

Сзио. ………………. емкость затвор-исток при отсоединенном выводе стока

f…………………….. частота

fгр…………………. граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ)
Кур………………… коэффициент усиления по мощности биполярного (полевого) транзистора
Кш.………………….

коэффициент   шума   биполярного   (полевого) транзистора

Кнас………………. коэффициент насыщения

Кст U……………. коэффициент стоячей волны по напряжению

l…………………….. длина выводов

Р……………………. постоянная  рассеиваемая  мощность  биполярного (полевого) транзистора
Рср………………… средняя  рассеиваемая   мощность  биполярного (полевого) транзистора
Pи………………….. импульсная    рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора

Рк………………….. постоянная рассеиваемая мощность коллектора

Рк,ср.

…………….. средняя рассеиваемая мощность коллектора

Рвх…………………. входная мощность биполярного (полевого) транзистора

Рвх (по)…………. входная  мощность  в  пике  огибающей  (средняя мощность однотонового сигнала с амплитудой, равной

амплитуде двухтонового сигнала в пике огибающей)
Рвых(по)………… выходная мощность  в пике огибающей  (средняя мощность однотонового сигнала с амплитудой, равной

амплитуде двухтонового сигнала  в пике огибающей)

Рпад………………. мощность падающей волны СВЧ сигнала

Рмакс ……………. максимально допустимая  постоянная  рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора

Ри,макс………….. максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность биполярного (полевого) транзистора
Рк,и,макс……….. максимально допустимая  импульсная рассеиваемая мощность  коллектора
Pк,ср,макс……… максимально  допустимая  средняя  рассеиваемая мощность коллектора

Q. ………………….. скважность

Zвх………………… входное полное сопротивление на большом сигнале

бrэ…………………. последовательное активное сопротивление эмиттера

Rк………………….. сопротивление в цепи коллектор-источник питания

Rбэ…………………. сопротивление в цепи база-эмиттер

R6………………….. сопротивление в цепи база-источник питания

Rн…………………. сопротивление нагрузки

Rr………………….. выходное сопротивление генератора при измеренениях

Rси…………………. сопротивление сток-исток полевого транзистора

Rси отк………….. сопротивление сток-исток в открытом состоянии

Rt…………………. тепловое сопротивление

Rт(п-к)…………. тепловое сопротивление переход-корпус

Rт, и(п-к)…….. импульсное тепловое сопротивление переход-корпус

Rт (п-с)………… тепловое сопротивление переход-среда

h21э…………..

……. статический коэффициент передачи тока в режимах малого и большого сигналов

Т……………………….  температура окружающей среды

Тк…………………. температура корпуса, для бес корпусных транзисторов -кристаллодержателя (подложки)

Тп………………….. температура р-п перехода

t  в к л…………………. время включения

tвыкл……………… время выключения

tзд………………….. время задержки

tнр…………………. время нарастания

tрас………………… время рассасывания

tсп………………….. время спада

tи…………………… длительность импульса

tф…………………… длительность фронта импульса

Радио для всех — Транзистор IGBT

 

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) или изолированный затвор — это устройство, которое сочетает в себе характеристики полевого транзистора с металлическим оксидом (MOSFET) с высоким током и низким напряжением насыщения биполярного транзистора. Он действует как высокочастотный переключатель высокого тока, который используется в преобразователях переменного / постоянного тока, управления двигателем и в приложениях источников питания с переключением. Он имеет более низкое напряжение VCE (насыщения), что позволяет ему работать с большей плотностью тока, чем с биполярным транзистором. Его можно моделировать как PNP-транзистор, управляемый силовым МОП-транзистором. Используемое нормальное напряжение возбуждения затвора находится в области 15 В, где напряжение насыщения получается таким образом, что потери проводимости сведены к минимуму. Безопасная рабочая область показывает максимальный рабочий ток и напряжение устройства. Он показывает прямое смещение SOA (безопасня рабочая область) и обратное смещение SOA, когда соединение эмиттера затвора является прямым смещением и обратным смещением соответственно.

 

 

·  Power BJT, и Power MOSFET имеют свои преимущества и недостатки.
·BJT имеют более низкие потери на проводимость в состоянии, но имеют более длительное время отключения.
· MOSFET-транзисторы имеют более высокие потери на проводимость и имеют более низкое время включения и выключения.
·Сочетание BJT и MOSFET монолитно приводит к созданию нового устройства, называемого биполярным транзистором с изолированным затвором.
· Другими названиями этого устройства являются GEMFET (Modulated Conductivity Modulated FET), COMFET (Транзистор с эффектом проводимости с проводимостью проводимости), IGT (транзистор с изолированным затвором), MOSFET с биполярным режимом, биполярный МОП-транзистор.
·Он имеет превосходные характеристики состояния, хорошую скорость переключения и отличную безопасную рабочую зону.

■В инженерном сообществе есть разногласия по поводу надлежащего изображения символа и номенклатуры IGBT.■Некоторые предпочитают рассматривать IGBT как в основном BJT с входом строба MOSFET и, следовательно, использовать модифицированный символ BJT для IGBT, как показано выше.■Некоторые предпочитают рассматривать сток и источник, а не коллектор и эмиттер, как показано ниже. Имеет три электрода: эмиттер, коллектор и затвор

 

■    Кривые характеристик рисуются для разных значений V Gs■    Когда V GS > V GS (порог) IGBT включается■    На этом рисунке V GS4 > V GS3 > V Gs2 > vgsi. Сохраняя V GS постоянным, значение V DS изменяется и соответствующие значения ID записываются вниз.

Как показано, характеристики IGBT аналогичны BJT

■    Передаточные характеристики IGBT и MOSFET аналогичны.■   IGBT находится в выключенном состоянии, если потенциал эмиттера затвора (V GE) ниже порогового напряжения (VGE-порог)■   Для напряжений затвора, превышающих пороговое напряжение, кривая передачи является линейной.■    Максимальный ток стока ограничивается максимальным напряжением затвор-эмиттер.

 Основными преимуществами IGBT являются:

■   Хорошие возможности управления питанием■ Низкое падение напряжения прямой проводимости от 2 до 3 В, что выше, чем для BJT, но ниже, чем для MOSFET с аналогичной номинальной мощностью. ■ Напряжение будет увеличиваться с температурой, без опасности термической нестабильности.■ Высокая скорость переключения.■ Низкий ток затвора.■ Относительно простой драйвер с управляемым напряжением.

 

Некоторые другие важные особенности IGBT:

■ Это силовое полупроводниковое устройство не имеет проблемы вторичной неисправности.■ Таким образом, он имеет большую безопасную рабочую зону (SOA) и низкие потери переключения■ Требуются только небольшие демпферы.■ Отсутствие внутреннего диода в IGBT. (Power MOSFET имеет паразитный диод)■ Отдельный диод должен быть добавлен, если требуется обратная проводимость.

 

Типы IGBT:

Изолированные биполярные транзисторы (IGBT) обычно подразделяются на два типа.

 (I) Без пробивки с помощью IGBT (NPT-IGBT)

(PT) Пробивание через IGBT (PT-IGBT)

 Также они называются симметричными и асимметричными IGBT. Эти разновидности биполярного транзистора отличаются друг от друга в технологии изготовления, структурных деталей и т. Д.

 Основные характеристики двух типов IGBT.

1.    Преимуществом IGBT является высокая текущая способность BJT и преимущество такого простого управления, как MOSFET. Фактически это силовое полупроводниковое устройство появилось, чтобы преодолеть недостаток транзистора и MOSFET. Симметричный IGBT (NPT-IGBT) — это один, имеющий равное прямое и обратное напряжения пробоя. Такие устройства используются в приложениях переменного тока. В структуре асимметричного IGBT (PT-IGBT) обратное напряжение пробоя меньше, чем напряжение прямого пробоя. Эти типы IGBT полезны для цепей постоянного тока, где устройство не требуется для поддержки напряжения в обратном направлении.

Характеристики переключения IGBT

С помощью вышеупомянутой упрощенной схемы мы можем понять процесс включения и выключения IGBT

Включение:

■    Напряжение V GE обычно отрицательное. Он превращается в положительное для включения IGBT. ■    При увеличении напряжения на затворе увеличивается V GE. Когда V GE = V GE(lh) tok коллектора I с начинает течь.■    Время, необходимое для того, чтобы V GE поднялся и достиг V GE (lh) (или) Время для I с для начала увеличения называется «временем задержки включения tdn » .■    После V GE( lh) ток коллектора I с начинает увеличиваться. Время повышения I с и достижения его максимального значения называется временем нарастания тока (t ri).■    Когда I с достигает своего максимального значения, IGBT находится в состоянии ON. Когда устройство находится в состоянии ON, оно называется коротким, поэтому напряжение на нем равно нулю.■    Значит, когда IGBT включен, напряжение V СЕ начинает уменьшаться до значения, близкого к нулю. Здесь оно падает до значения V CES (насыщенное значение) или V СЕ (0N).■   Время, необходимое для того, чтобы напряжение V СЕ начало падать и достичь его насыщенного значения V CES, называется «временем спада напряжения (t h)».■    Поэтому время включения t 0n= t dn + tri+ tfvЭти задержки связаны с двумя причинами.■    Емкость коллектора-затвора будет увеличиваться в части MOSFET IGBT при низком V СЕ.■    Транзисторная часть PNP транзистора IGBT перемещается в состояние ON медленнее, чем часть транзистора

 

IGBT Характеристики

Выключение:

 

■   IGBT отключается путем снятия напряжения затвора.■   Когда напряжение на затворе V G уменьшается, V GE начинает падать и V СЕ начинает увеличиваться.■    Время задержки выключения (t df) — это время между V GE начинает уменьшаться и V СЕ начинает увеличиваться. ■    В конце t df V СЕ начинает увеличиваться и достигает своего максимального значения. Время, необходимое для того, чтобы V СЕ поднялось и достигло своего полного значения, называется временем нарастания напряжения (t rv)■    При уменьшении V GE и достижении V GE(th) ток стока сводится к нулю.  Временный интервал t fi1 — это время спада тока. Это интервал выключения секции MOSFET IGBT.■   Здесь ток I с не равен нулю, но небольшой ток протекает из-за накопленного заряда в –n-  области дрейфа. Это внутренний ток BJT.■    Замедление тока (за счет внутреннего тока BJT) происходит в течение интервала t fi2. Это интервал выключения секции BJT IGBT.■    Время выключения Т 0ff= t df+ t rv + t fi1 + t fi2

 

Ниже приводится краткая информация о преимуществах и недостатках IGBT:

Преимущества:

■Устройство с управлением напряжением■Меньше потери состояния■Высокая частота коммутации■Нет коммутирующей цепи■Gate имеет полный контроль над работой. ■Плоский температурный коэффициент

 

Недостатки :

■    Проблема статического заряда■    Более дорогостоящие, чем BJT и MOSFET

Технология биполярных транзисторов с изолированным затвором улучшается благодаря лучшей скорости переключения, более низкому падению напряжения проводимости, более высокой токовой нагрузке и более высокой надежности. Доступность этих устройств с током до 1 кА, напряжением до 2 кВ, скоростью переключения 200 нс и напряжением состояния до 2,0 В и ниже сделали эти устройства популярным в мире силовой электроники. Позволил внедрить системные решения инвертора для многих бытовых электроприборов, к примеру таких как системы кондиционирования воздуха или управления холодильником.

 

 

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер. мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1

Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPh40MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPh50FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPh50MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125

 

Табл. 2

Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ — Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн— Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк — Постоянный ток коллектора
  • Р — Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного «насоса», показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

  • IR2125 – драйвер верхнего плеча;
  • IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
  • IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
  • IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т. д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис. 4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис. 5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

  1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
  2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
  3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
  4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом «Додека – ХХI», 2002.

Что такое эмиттер коллектор и база?


Что такое эмиттер коллектор и база?

Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Чем отличается коллектор от эмиттера?

На простейшей схеме различия между коллектором и эммитером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p-n перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Как управляется биполярный транзистор?

Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку. Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы.

Как транзистор усиливает сигнал?

Для усиления же сигналов на базу подается напряжение смещения, которое позволяет транзистору находиться в частично открытом состоянии. … При смещении же базы транзистора происходит усиление входного сигнала любой величины. Эффект от смещения транзистора изображен графически на рис. 7.

Как происходит усиление сигнала?

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. … Здесь процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания Eп в энергию выходного напряжения.

Как проходит ток через транзистор?

У транзистора три вывода: коллектор, эмиттер и база. Между коллектором и эмиттером течет сильный ток, он называется коллекторный ток (Iк), между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб). … Поскольку лампочка подключена к коллектору транзистора, то и ток, текущий через нее является током коллектора.

Как работает транзистор в качестве ключа?

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК.

Как работает электронный ключ?

На заводе или на фирме, которая устанавливает домофоны, в каждый ключ записывают особый код. Затем его же сохраняют в памяти домофона. Когда вы подносите ключ к домофону, он считывает код и сравнивает его со значениями из своей памяти. Если значение ключа там есть, дверь открывается.

Что называется полевым транзистором?

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Что такое транзисторный ключ?

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий электрод управляющего напряжения определённой полярности и уровня.

Как проверить силовые транзисторы?

Если транзистор окажется структуры P-N-P, то к базе транзистора следует подключить минусовой (черный) щуп прибора. Попутно с этим следует «прозвонить» участок коллектор – эмиттер. У исправного транзистора его сопротивление практически бесконечно, что символизирует единица в старшем разряде индикатора.

Как определить PNP или NPN транзистор?

Если на базу подаём плюс — это NPN тип, если минус — это PNP. Чтобы определить, где эмиттер,а где коллектор, надо сравнить показания мультиметра при измерении. На эмиттере ток всегда больше.

Как называются выводы у транзистора?

Несмотря на симметричность этого прибора по полярности (p-n-p или n-p-n), важно определить выводы транзистора от его трех зон, которые называются «база», «эмиттер» и «коллектор». Это связано с тем, что площадь соприкосновения базы и коллектора намного больше площади контакта базы и эмиттера.

Как называются выводы у биполярного транзистора?

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод-коллектором.

Какой режим работы транзистора называется динамическим?

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.

Как называются выводы полевого транзистора?

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И).

Зачем нужны полевые транзисторы?

Главное преимущество полевого транзистора высокое входное сопротивление. Входное сопротивление это отношения тока к напряжению затвор-исток. Принцип действия лежит в управлении с помощью электрического поля, а оно образуется при приложении напряжения. То есть полевые транзисторы управляются напряжением.

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Главная | Обратная связь

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 12Следующая ⇒

2. 1. ТЕОРИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА. СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

 
 

Слово транзистор (англ. Transformer of resistor) означает — преобразователь сопротивления. Транзистор представляет собой полупроводниковую p-n-p или n-p-n структуру с двумя p-n-переходами рис.2.1.

 
 

Коллекторные переходы транзисторов обоих типов включены обратно, что приводит к расширению запирающего слоя этих переходов и увеличению их сопротивления в области коллектора.

На эмиттерно-базовый переход подается прямое напряжение (рис.2.1. а и 2.1, б), что приводит к сужению запирающего слоя транзистора и снижению потенциального барьера. При напряжениях выше потенциального барьера сопротивление базово-эмиттерного перехода значительно падает, и основные носители зарядов инжектируют в базовую область. Происходит незначительная рекомбинация основных носителей в базовой области, так как концентрация свободных носителей в ней ниже, чем в эмиттере.

При одновременном включении источников напряжения Еэ и Ек происходят следующие процессы. Основные носители зарядов из эмиттерной области инжектируют в базовую область, но поскольку на базе имеется одноименный заряд с основными носителями зарядов, созданный батареей коллектора, и противоположный заряд на коллекторе транзистора, то основные носители зарядов экстрактируют в зону коллектора, которая, обогащаясь внесенными зарядами, становится проводящей. Сопротивление коллекторного перехода значительно падает, т.е. происходит преобразование большого сопротивления коллектора в маленькое. Изменяя ток участка база-эмиттер транзистора, можно управлять сопротивлением коллекторного перехода.

Исправность переходов транзистора легко проверить, рассмотрев схемы его аналогов на основе диодов. Проверку можно провести обычным авометром также, как производят проверку обычных диодов (рис. 2.1, в и г).

Различают три способа включения транзистора в зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей по питанию.

Схемы на рис. 2.1, а и 2.1, б имеют общую базу для входной и выходной цепей, поэтому схему называют с общей базой (ОБ). Но транзисторы могут включаться в схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В схеме с ОБ входное сопротивление составляет несколько десятков Ом, а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни кОм, поэтому в выходную цепь можно включать большое сопротивление нагрузки Rк>> Rвх.

Принципиального различия в работе схем рис. 2.1, а и 2.1, б нет. Разница лишь в том, что в первом случае основные носители зарядов дырки, а во втором – электроны.

 

2.2. ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Для расчета электронных схем с использованием транзисторов необходимо знать индивидуальные особенности транзисторов, т. е. их входные и выходные характеристики. Для получения таких характеристик транзистор следует включить по одной из трех схем:

1) схема с общей базой — ОБ;

2) схема с общим эмиттером — ОЭ;

3) схема с общим коллектором — ОК.

Схема с ОЭ наиболее часто встречается в электронике. Рассмотрим ее работу и схему для снятия характеристик транзистора. Для исследования входной и выходной характеристики транзистора по схеме с ОЭ его подключают согласно схеме (рис. 2.3.)


Название схемы связано с тем, что эмиттер является общим по питанию для входной и выходной цепей. Входной цепью транзистора является база-эмиттер, а выходной коллектор-эмиттер.


Для снятия входной характеристики при Uкэ = const напряжение на участке коллектор-эмиттер поддерживают порядка 5 В. Изменяют напряжение между базой и эмиттером транзистора потенциометром R1 , и следят за изменением тока базы. Поскольку этот участок представляет собой диод, то характеристика транзистора получается аналогичной ВАХ диода (рис. 2.4, а). На ней виден нелинейный характер изменения , что свидетельствует о наличии дифференциального сопротивления входной цепи. Рост прямого напряжения uбэ приводит к уменьшению толщины запирающего слоя, а, следовательно, и к уменьшению дифференциального сопротивления . Дифференциальное входное сопротивление зависит от прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, т.е. . Найти дифференциальное сопротивление можно по формуле:

при Uкэ = const.

Обычно в справочниках по транзисторам приводятся параметры транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Среди наиболее часто используемых при расчетах их параметров следует отметить статический коэффициент передачи по току h21э. Он определяется по семейству выходных характеристик транзистора (рис. 2.4, б). Коэффициент передачи по току показывает, во сколько раз изменение тока коллектора транзистора больше изменения тока базы при постоянном напряжении Uкэ. Для определения данного коэффициента проводится вертикальная линия через u1 до пересечения кривых при iб2 и iб3. Из определения коэффициента передачи по току следует, что

при Uкэ = const и при заданных токах базы Iб – задано.

 

2.3. УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

 

Униполярными или полевыми транзисторы называют потому, что управление током этого транзистора осуществляет электрическое поле, созданное перпендикулярно основному току транзистора. Это поле производит изменение проводимости канала транзистора за счет изменения ширины запирающего слоя.

Электроды такого транзистора имеют названия – исток (Source), затвор (Gate), сток (Drein). В полевых транзисторах имеется канал с началом – исток и с окончанием – сток. В зависимости от конструкции затвора полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n-переходом; с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора изображено на рис. 2.6. Здесь канал обогащен свободными зарядами, и управление его сопротивлением производится путем обеднения канала свободными зарядами.

 
 

Подадим между затвором и истоком обратное напряжение. Это приведет к росту толщины запирающего слоя (р-n-перехода). Увеличение толщины p-n-перехода уменьшает эффективную площадь канала, по которому течет ток. Ток между истоком и стоком падает. Можно получить такую толщину р-n-перехода, что канал практически будет перекрыт (серая линия), что приведет к прекращению тока в канале. Обратное напряжение исток-затвор, при котором ток канала прекращается, называется напряжением отсечки.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Полевые транзисторы с изолированным затвором могут иметь индуцированный или встроенный канал.

При управлении работой полевого транзистора следует учитывать его режим работы. В режиме обеднения переход затвор-исток включают встречно напряжению, при режиме обогащения – наоборот. В основном применяют две схемы включения это с общим затвором (ОЗ) и общим истоком (ОИ). Реже применяется схема с общим стоком (ОС). Основным достоинством полевого транзистора является отсутствие p-n-перехода в зоне проводимости, что значительно снижает сопротивление канала транзистора и повышает его проводимость и быстродействие.

Для снятия основных характеристик полевого транзистора собирают схему, приведенную на рис. 2.8.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора — зависимость при Uис = const . Для снятия данной характеристики задаются напряжением ИС порядка 5 В, плавно изменяют напряжение между истоком и затвором и следят за изменением тока стока (рис. 2.9).

Для нахождения крутизны характеристики полевого транзистора выбирают область линейного участка стоко-затворной характеристики. Напряжению uзи1 соответствует ток iст1 , а напряжению uзи2 — ток iст2. Крутизна характеристики находится по формуле:

при Uис = const.

Изменению напряжения от uзи1 до uзи2 соответствует изменение тока стока от iст1до iст2. Обычно в справочниках дается крутизна характеристики в мА/В, но при использовании в расчетах эту величину следует перевести в А/В. Чем круче характеристика транзистора, тем выше коэффициент усиления по напряжению.

Для снятия семейства выходных характеристик полевого транзистора при Uзи = const необходимо установить между затвором и истоком постоянное напряжение. Плавно изменяя напряжение между истоком и стоком, следить за изменением тока стока. Семейство таких характеристик представлено на рис. 2.10.

Для нахождения коэффициента усиления транзистора по напряжению — m необходимо провести вертикальную линию через uис1 (рис. 2.10) до пересечения с двумя произвольными кривыми uзи3 и uзи4. Коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз напряжение на затворе действует эффективнее изменения напряжения между истоком и стоком.

,

при постоянном токе стока Iст = const.

Несложно доказать связь между параметрами S, m и R., т.е.

При работе с полевыми транзисторами с индуцированным каналом необходимо соблюдать меры предосторожности, т.к. они «боятся» статического напряжения.

 

2.4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (БТИЗ)

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) представляет собой сочетание биполярного и полевого транзистора. Наибольшее распространение получили транзисторы, в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором образуется паразитный биполярный транзистор VT’ (рис. 2.11), который не находил практического применения.

R1 – последовательное сопротивление канала транзистора. VT – полевой транзистор с изолированным затвором. R2 – сопротивление резистора, шунтирующего переход база-эмиттер транзистора. 1 – паразитный транзистор, не предусмотренный технологией изготовления полевого транзистора.

Структура транзистораБТИЗ аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-n-переходом, благодаря которому в схеме появляется еще один р-n-р транзистор 2.

Из рис. 2.12 видно глубокую положительную обратную связь транзисторов 1 и 2, так как ток базы транзистора 1формируется током коллектора 2, а ток коллектора 2 формируется током базы 1. Это обстоятельство позволяет получить у БТИЗ крутизну значительно большую, чем у обычных полевых транзисторов.

Данное обстоятельство позволяет резко снизить падение напряжения на канале открытого транзистора, а, следовательно, и повысить его ток стока. Крутизна характеристики таких транзисторов может достигать десятков ампер на вольт, в то время как у обычных полевых транзисторов крутизна составляет миллиамперы на вольт. БТИЗ имеют не только значительную крутизну характеристики, но и выдерживают значительные обратные напряжения коллектора. На рис 2.13. приведена выходная характеристика БТИЗ.

Такие транзисторы нашли широкое применение в современной силовой электронике, усилителях и преобразовательной технике. Токи современных БТИЗ достигают 1500 А при напряжениях до 2000В и незначительных габаритах транзисторов.

 

2.5. СТАТИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОР (СИТ)

Статический индукционный транзистор (СИТ) и биполярный статический индукционный транзистор (БСИТ) представляют собой полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора, так и при прямом. При прямом смещении на затворе транзистор работает как биполярный, а при отрицательном смещении (до 30В) работает как полевой транзистор, при этом рассасывание зарядов происходит значительно быстрее, нежели в биполярном транзисторе.

Cуществуют две разновидности СИТ. Первая называется просто СИТ и представляет собой нормально открытый прибор с управляющим р-n-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток–исток находится в проводящем состоянии. Управление таким транзистором происходит запирающим напряжением, прикладываемым на участке затвор – исток. Сопротивление канала такого транзистора ничтожно мало порядка 0.1 – 0.025 Ом.

СИТ обладает высоким быстродействием, и применяется в высокочастотной аппаратуре. Основной недостаток СИТ – наличие постоянно открытого канала, что затрудняет его использование в переключающих устройствах, где необходима его работа в режиме ключа. Лишен этого недостатка БСИТ – транзистор, в котором напряжение отсечки равно нулю.

БСИТ – транзисторы при отсутствии напряжения на затворе заперты, как и полевые транзисторы.

 

IGBT транзисторы

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.

Что такое транзистор и как он работает? Как работает транзистор: принцип и устройство

Содержание

  • 1 Принцип работы транзистора
    • 1.1 Устройство
    • 1.2 Принцип действия
  • 2 Классификация устройств
    • 2.1 Устройство транзисторов
    • 2.2 Принцип работы транзистора
  • 3 Как работает транзистор — видео
    • 3.1 Принцип работы биполярного транзистора
    • 3.2 Транзистор в ключевом режиме
    • 3.3 Типы полевых транзисторов
  • 4 Режимы работы
    • 4.1 Нормальный активный режим
    • 4.2 Инверсный активный режим
  • 5 Режим насыщения
    • 5.1 Режим отсечки
    • 5. 2 Барьерный режим
  • 6 Как работают биполярные транзисторы
    • 6.1 Выбор номиналов компонентов схемы
  • 7 Как подобрать транзистор
    • 7.1 Как работает MOSFET транзистор
    • 7.2 Как выбрать MOSFET-транзистор
  • 8 Зачем нужен транзистор?
    • 8.1 Транзистор как усилитель
  • 9 Принцип действия
    • 9.1 Биполярный транзистор
    • 9.2 Полевой транзистор
  • 10 Основные характеристики
    • 10.1 Типы подключений

 

Принцип работы транзистора

  • Принцип работы транзистора
  • Устройство
  • Принцип действия
  • Классификация устройств
  • Устройство транзисторов
  • Принцип работы транзистора
  • Как работает транзистор — видео
  • Принцип работы биполярного транзистора
  • Типы полевых транзисторов
  • Режимы работы

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок.

Принцип действия

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером.

Биполярный прибор бывает двух типов:

  • p-n-p
  • n-p-n.

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы.

Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный.

В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто».

В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Принцип работы биполярного транзистора

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет

Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Типы полевых транзисторов

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного NPN транзистора. У него три вывода:

  • База (b — base)
  • Коллектор (c — collector)
  • Эмиттер (e — emitter)

Когда транзистор включен, то через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светодиод не светиться.

Чтобы включить транзистор, вам необходимо подать напряжение около 0,7 В на базу относительно эмиттера. Если бы у вас была батарея 0,7 В вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером и транзистор бы включился. Поскольку у большинства из нас нет батареи с напряжением 0,7 В, то как мы можем включить транзистор?

Легко! Переход транзистора база-эмиттер работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из имеющегося напряжения питания. Если вы последовательно подключите резистор, то остальная часть напряжения упадет на резисторе. Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив всего один резистор.

Это тот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не сгорел.

Если вы еще добавите кнопку, то вы можете управлять транзистором и, следовательно, светодиодом, включая и выключая его с помощью кнопки:

Выбор номиналов компонентов схемы

Чтобы выбрать необходимые номиналы компонентов, вам нужно знать еще один важный параметр транзистора — коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904 коэффициент усиления составляет в среднем около 100. Это означает, что если вы подадите ток 0,1 мА на переход база-эмиттер, то по направлению коллектор-эмиттер вы получите ток 10 мА (в 100 раз больше).

Какое должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас в качестве источника питания батарея 9 В и мы знаем что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, то на резисторе останется 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора вы можете использовать закон Ома:

То есть вам необходимо использовать резистор сопротивлением 83 кОм. Это не стандартное значение, поэтому из стандартного номинального ряда возьмем самое близкое значение равное 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, проходящего через светодиод. Сопротивление 1 кОм будет достаточным.

Как подобрать транзистор

NPN-транзистор является наиболее распространенным типом биполярных транзисторов. Но есть еще один тип биполярного транзистора — PNP-транзистор, который работает точно также как и NPN-транзистор, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждения. Это называется током коллектора (Ic ).

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET транзистор (полевой транзистор) — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три вывода:

  • Затвор (G — gate )
  • Исток (S — source )
  • Сток (D — drain )


N-канальный MOSFET работает также как и биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

  • В биполярном NPN транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер определяет силу тока, текущего через переход коллектор-эмиттер.
  • В MOSFET транзисторе напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток будет течь от стока к истоку.

Вот почему для MOSFET транзистора вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором, как в случае с NPN-транзистором. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение на затворе определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с кнопкой. Таким образом, у вас получиться делитель напряжения, с помощью которого вы можете выставить точное напряжение на затворе.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

  1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
  2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большим током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и многое другое при помощи микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может обеспечить всего несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например уличным освещением 230 В, вы не можете сделать это напрямую микроконтроллером

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Поэтому вам понадобится транзистор для управления реле:

 

Транзистор как усилитель

Транзистор также может работать в качестве усилителя слабых сигналов, то есть он может находиться в любом положении между «полностью включено» и «полностью выключено».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для управления динамиком сигналом прямоугольной формы:

 

 

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.

Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.

В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.

Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

  1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
  2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

  1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
  2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
  3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Транзисторные затворы

Транзисторные затворы
AND Gate
OR Gate
NAND Gate
NOR Gate
Double Transistor
NOR Gate
Одиночный транзистор

Использование транзисторов для построения логических элементов зависит от их полезности в качестве быстрых переключателей. Когда диод база-эмиттер включен достаточно, чтобы перейти в состояние насыщения, напряжение коллектора по отношению к эмиттеру может быть близко к нулю, и его можно использовать для построения логических элементов семейства ТТЛ. Для логики И транзисторы соединены последовательно, и оба транзистора должны быть в проводящем состоянии, чтобы на выходе был высокий уровень.

Базовые ворота
Индекс

Концепции электроники

Цифровая электроника

Справочник
MIMS
Цифровые логические цепи

Гиперфизика ***** и магнитизм R NAVE 11111111111111111111111111111111111111111111111111111111.
Назад
AND Gate
OR Gate
NAND Gate
NOR Gate
Double Transistor
NOR Gate
Одиночный транзистор

Использование транзисторов для построения логических элементов зависит от их полезности в качестве быстрых переключателей. Когда диод база-эмиттер включен достаточно, чтобы перейти в состояние насыщения, напряжение коллектора по отношению к эмиттеру может быть близко к нулю, и его можно использовать для построения логических элементов семейства ТТЛ. Для логики ИЛИ транзисторы включены параллельно, и на выходе устанавливается высокий уровень, если какой-либо из транзисторов находится в проводящем состоянии.

Базовые ворота
Индекс

Концепции электроники

Цифровая электроника

Справочник
MIMS
Цифровые логические цепи

Гиперфизика ***** и магнитизм R NAVE 11111111111111111111111111111111111111111111111111111111.
Назад
AND Gate
OR Gate
NAND Gate
NOR Gate
Double Transistor
NOR Gate
Одиночный транзистор

Использование транзисторов для построения логических элементов зависит от их полезности в качестве быстрых переключателей. Когда диод база-эмиттер включен достаточно, чтобы перейти в состояние насыщения, напряжение коллектора по отношению к эмиттеру может быть близко к нулю, и его можно использовать для построения логических элементов семейства ТТЛ. Для логики И-НЕ транзисторы включены последовательно, но выход находится над ними. Выход высокий, если оба входа A и B не имеют высокого уровня, и в этом случае выход снимается близко к потенциалу земли.

Базовые ворота
Индекс

Концепции электроники

Цифровая электроника

Справочник
MIMS
Цифровые логические цепи

Гиперфизика ***** и магнитизм R NAVE 11111111111111111111111111111111111111111111111111111111.
Назад
AND Gate
OR Gate
NAND Gate
NOR Gate
Double Transistor
NOR Gate
Одиночный транзистор

Использование транзисторов для построения логических элементов зависит от их полезности в качестве быстрых переключателей. Когда диод база-эмиттер включен достаточно, чтобы перейти в состояние насыщения, напряжение коллектора по отношению к эмиттеру может быть близко к нулю, и его можно использовать для построения логических элементов семейства ТТЛ. Для логики ИЛИ-НЕ транзисторы подключены параллельно выходу над ними, так что, если один или оба входа имеют высокий уровень, на выходе устанавливается низкий уровень.

Базовые ворота
Индекс

Концепции электроники

Цифровая электроника

Справочник
MIMS
Цифровые логические цепи

Гиперфизика ***** и магнитизм R NAVE 11111111111111111111111111111111111111111111111111111111.
Назад
AND Gate
OR Gate
NAND Gate
NOR Gate
Double Transistor
NOR Gate
Одиночный транзистор

Использование транзисторов для построения логических элементов зависит от их полезности в качестве быстрых переключателей. Когда диод база-эмиттер включен достаточно, чтобы перейти в состояние насыщения, напряжение коллектора по отношению к эмиттеру может быть близко к нулю, и его можно использовать для построения логических элементов семейства ТТЛ. В этом альтернативном способе достижения логики НЕ-ИЛИ используется только один транзистор с двумя входами, подключенными к его базе через резисторы. Если один или оба входа имеют высокий уровень, на выходе устанавливается низкий уровень.

Базовые ворота
Индекс

Концепции электроники

Цифровая электроника

Справочник
MIMS
Цифровые логические цепи

Гиперфизика ***** и магнитизм R NAVE 11111111111111111111111111111111111111111111111111111111.
Назад

IGBT Биполярный транзистор с изолированным затвором » Электроника Примечания

IGBT используются для многих силовых переключений и других силовых приложений, и они представляют собой объединение технологий полевых транзисторов и биполярных транзисторов.


Полевые транзисторы, полевые транзисторы Включает:
Основные сведения о полевых транзисторах Технические характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Мощный МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор ХЕМТ И ФЕМТ Технология FinFET БТИЗ Карбид кремния, SiC MOSFET GaN FET / HEMT


Биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBT представляют собой форму дискретных полупроводниковых устройств, которые обычно используются для силовых приложений: источники питания, силовые переключатели и т. д.

Преимущество IGBT-транзисторов состоит в том, что они сочетают в себе многие характеристики МОП-транзисторов и биполярных транзисторов, обеспечивая возможность обработки высокого напряжения и тока биполярных транзисторов с высокой скоростью переключения и низким током затвора мощных МОП-транзисторов.

Потребность в биполярных транзисторах с изолированным затвором, IGBT, возникла из-за того, что как МОП-транзисторы, так и биполярные транзисторы с переходом, BJT, имеют свои ограничения, особенно когда речь идет о сильноточных приложениях.

Соответственно, изобретение IGBT-транзистора позволило объединить преимущества обоих типов устройств в одном полупроводниковом устройстве.

БТИЗ также упоминается под несколькими другими именами, включая: и IGT: транзистор с изолированным затвором, IGR: выпрямитель с изолированным затвором, COMFET: полевой транзистор с модуляцией проводимости, GEMFET: МОП-транзистор с улучшенным коэффициентом усиления, BiFET: биполярный полевой транзистор и инжекторный полевой транзистор.

Типовой дискретный полупроводниковый прибор IGBT

История и развитие IGBT

Эта форма полупроводникового устройства была впервые продемонстрирована в 1979 году исследователем по имени Балига, а затем в 1980 году Пламмером и Шарфом, а также Лейпольдом, а затем Тиханьи.

Эти первоначальные результаты были затем расширены пару лет спустя, в 1982 году, Бекке и Уитли, а также Балига.

Хотя первоначальная концепция была создана, устройство не использовалось в коммерческих целях в электронных схемах до конца 1980-х годов. По прошествии этого времени технология не только улучшилась, но и ее использование увеличилось, поскольку технология стала более устоявшейся, и инженеры увидели, как эти устройства можно использовать в своих электронных конструкциях для переключения питания и других приложений питания.

Обозначение цепи IGBT

Как и следовало ожидать, символ схемы для биполярного транзистора с изолированным затвором, IGBT сочетает в себе биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор.

Символ схемы IGBT

Из символа схемы видно, что IGBT имеет три вывода: коллектор, эмиттер и затвор, а устройства, из представления символа схемы, имеют основной ток, протекающий между коллектором и эмиттером, аналогичный протеканию биполярного транзистора. а управляющая клемма представляет собой затвор, аналогичный затвору полевого МОП-транзистора.

IGBT, биполярный транзистор с изолированным затвором, основы

IGBT

имеют три вывода, как и полевые МОП-транзисторы с одним затвором и биполярные транзисторы, но внутри они состоят из четырех слоев полупроводника чередующихся P и N типов.

Устройство является однонаправленным, в отличие от силового полевого МОП-транзистора, который является двунаправленным, и хотя структура IGBT кажется такой же, как у тиристора с МОП-затвором, действие тиристора подавляется, и происходит только действие транзистора.

БТИЗ рассчитан на быстрое отключение, поэтому его часто используют для создания сигналов с широтно-импульсной модуляцией. При использовании с фильтрами нижних частот это позволяет этим устройствам управлять потоком мощности на различные формы нагрузки.

Сравнение IGBT, мощных полевых МОП-транзисторов и мощных биполярных транзисторов
 
Характеристика БТИЗ Мощный МОП-транзистор Силовой биполярный
Текущий рейтинг Высокий Низкий Высокий
Номинальное напряжение Очень высокий Высокий Высокий
Скорость переключения Средний Быстро Медленный
Входное сопротивление Высокий Высокий Низкий
Выходное сопротивление Низкий Средний Низкий

Преимущества и недостатки IGBT

Как и следовало ожидать, IGBT имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с другими полупроводниковыми устройствами, такими как биполярный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор, и их необходимо тщательно сбалансировать при рассмотрении возможности их использования в электронной конструкции.

Преимущества IGBT

  • Обладает высокими характеристиками по напряжению и току по сравнению с биполярным транзистором или мощным MOSFET
  • Обычно они не фиксируются так, как тиристоры
  • Может переключать высокие уровни тока с помощью низкого управляющего напряжения
  • IGBT имеет очень низкое сопротивление во включенном состоянии, что идеально подходит для многих приложений с силовым переключением
  • Обладает очень высоким входным сопротивлением
  • Управляется напряжением (как MOSFET), поэтому для переключения больших уровней тока требуется очень небольшой ток
  • Сигналы управления затвором
  • просты в реализации и не требуют сложной схемы простое положительное напряжение для включения IGBT и ноль для его выключения
  • Высокая плотность тока и, следовательно, малый фактический размер кремниевой микросхемы, а это означает меньшие размеры корпусов для данного уровня тока
  • Более высокий коэффициент усиления по мощности, чем у биполярного транзистора или полевого МОП-транзистора
  • БТИЗ имеет более высокую скорость переключения по сравнению с биполярным транзистором
  • .
  • Они демонстрируют более низкое отношение емкости затвор-коллектор к емкости затвор-эмиттер, чем конкурирующие устройства, и это приводит к улучшенным характеристикам эффекта обратной связи Миллера — в результате они переключаются быстрее, чем биполярные транзисторы

Недостатки IGBT

  • Однонаправленный — не может работать на переменном токе без дополнительной схемы
  • Обладает более низкой скоростью переключения, чем MOSFET
  • .
  • Не удается заблокировать высокое обратное напряжение
  • Могут возникать проблемы с фиксацией из-за структуры PNPN, которая имеет тиристорную структуру внутри устройства, хотя уровни легирования должны подавлять действие тиристора
  • Дороже, чем биполярный транзистор или мощный МОП-транзистор

Это некоторые из наиболее очевидных преимуществ и недостатков использования IGBT, но могут быть и другие соображения при изучении возможности их использования для конкретной электронной конструкции.

Благодаря своим преимуществам IGBT популярны во многих коммутационных устройствах средней мощности. Их можно использовать с переменным током, но для обеспечения двунаправленной работы им требуются дополнительные схемы.

Для двунаправленной работы IGBT обычно требуется два устройства с противоположной полярностью, чтобы обеспечить возможность согласования обеих половин цикла: эти схемы идеально подходят для силового переключения и других силовых приложений.

Применение БТИЗ

Биполярный транзистор IGBT с изолированным затвором используется во многих силовых приложениях.

Эти полупроводниковые устройства очень полезны для многих электронных схем, потому что они пересекают границы между технологией биполярных транзисторов и мощными полевыми транзисторами. Это означает, что они используются в различных силовых установках:

  • Различные формы управления двигателем и тягой
  • Импульсные источники питания
  • Преобразователи постоянного тока в переменный
  • Широтно-импульсная модуляция для различных арен
  • Электроприводы переменного и постоянного тока
  • Управление различными формами индуктивной нагрузки
Типовое дискретное полупроводниковое устройство IGBT

Физическая структура IGBT

Структура IGBT представляет собой относительно сложный полупроводниковый прибор по сравнению с базовым биполярным транзистором или полевым МОП-транзистором.

IGBT использует оба типа носителей, то есть дырки и электроны, для работы полупроводникового устройства.

Вход похож на полевой МОП-транзистор и обеспечивает высокое входное сопротивление и рабочее напряжение для устройства, а выход похож на выход биполярного транзистора.

На самом деле устройство можно рассматривать как тиристор с MOSFET-транзистором на входе, точнее, этот входной элемент представляет собой устройство DMOS.

Это видно из эквивалентной схемы IGBT.

Эквивалентная схема IGBT

В этой эквивалентной схеме видны различные компоненты. Вход представляет собой полевой МОП-транзистор, а на его выходе — сопротивление Rd, которое представляет собой сопротивление области дрейфа. TR2 — это паразитный NPN-транзистор, который фактически присутствует в любом MOSFET и, следовательно, во всех IGBT.

Область корпуса устройства имеет определенное сопротивление, которое обозначается Rb.

Два транзистора, TR1 и TR2, образуют паразитную тиристорную структуру. Действие тиристора подавляется путем обеспечения таких уровней легирования, чтобы общий коэффициент усиления был меньше единицы. Если NPN-транзистор TR2 когда-либо включается, а коэффициенты усиления TR1 и TR2 превышают единицу, происходит защелкивание. Однако проблемы с защелкиванием обычно удается избежать благодаря структуре устройства и уровням легирования.

Используя эту структуру, можно достичь низкого напряжения насыщения, аналогичного низкому сопротивлению в открытом состоянии, обеспечиваемому полевыми МОП-транзисторами, при сохранении относительно быстрой характеристики переключения.

Хотя характеристики переключения относительно быстрые, следует помнить, что они все же уступают характеристикам мощного полевого МОП-транзистора.

Фактическая физическая структура IGBT состоит из четырех слоев, и хотя точная используемая структура будет меняться от одного производителя к другому или даже от разных линеек одного и того же производителя, основные принципы сохраняются. Область N+ вокруг эмиттера присутствует не во всех этих полупроводниковых устройствах, как подробно описано ниже в разделе, описывающем различные типы IGBT

Физическая структура вертикального N-канального IGBT

Из структуры видно, что он во многом похож на тиристор, в частности, на управляемый МОП-транзистор, но работает совершенно по-другому.

В структуре, показанной выше, есть несколько областей, каждая из которых выполняет различные функции в рамках всего устройства.

  • Область впрыска субстрата P+:   Это слой, ближайший к коллектору, и его часто называют областью впрыска. Это низкоомная подложка.
  • Область дрейфа N-:   Над подложкой P+ присутствует область материала N-. Это известно как область дрейфа. Толщина этой области определяет блокирующую способность IGBT, и эта область обычно может иметь толщину около 50 мкм и быть слегка легированной с уровнем легирования, возможно, около 10 14 см -3 .
  • Слой P+, область тела:   Он состоит из слоя P+ и во многих БТИЗ находится ближе всего к эмиттеру.
  • Слой N+ в области корпуса:   В некоторых БТИЗ есть слой N+, ближайший к эмиттеру.

Как и тиристор, БТИЗ обычно изготавливают с использованием кремния, так как он обеспечивает хорошую теплопроводность и возможность пробоя при высоком напряжении.

Обычно устройства изготавливаются в виде отдельных дискретных элементов, поскольку изготовление нескольких устройств на одном кристалле часто приводит к поломке.

Хотя вертикальная структура была показана выше, также возможно использовать структуру материала для IGBT, как показано ниже. Это менее распространено, но все же используется.

N-канальный IGBT — боковая структура

Наиболее распространенным форматом для IGBT является N-канальный, хотя возможно изготовление дополнительных устройств с использованием P-канала. Они имеют противоположные типы легирования и работают с обратной полярностью напряжения.

Чаще всего используются термины затвор, коллектор и эмиттер, хотя широко используются затвор, анод, катод, а иногда можно увидеть сток затвор-исток.

БТИЗ типов

Транзистор

IGBT можно классифицировать двумя основными способами в зависимости от того, имеют ли они буферный слой N+ в P-слое, ближайшем к эмиттерному электроду.

В зависимости от того, имеют ли они N+, позже они упоминаются либо как сквозные IGBT, либо как непробочные IGBT.

  • Проходные IGBT, PT-IGBT: Проходные IGBT, PT-IGBT имеют область N+ у эмиттерного контакта. Из-за структуры PT-IGBT иногда называют асимметричными IGBT
  • .
  • БТИЗ без пробивки, NPT-IGBT : БТИЗ без пробивки не имеют дополнительной области N+ у эмиттерного контакта. Благодаря структуре NPT-IGBT их также называют симметричными IGBT.

БТИЗ PT и NPT имеют ряд различных свойств, обусловленных их структурой.

Хотя различия не всегда очень значительны, выбор типа NPT IGBT или PT IGBT может существенно повлиять на конструкцию схемы.

  • Потери при переключении:   Для данного V CE(on) PT IGBT будет иметь более высокую скорость переключения и, соответственно, более низкую общую энергию переключения. Это происходит из-за более высокого коэффициента усиления и уменьшения времени жизни неосновных носителей, что снижает хвостовой ток.
  • Надежность :  Одна из важных проблем — устойчивость к току короткого замыкания. Обычно NPT IGBT рассчитаны на короткое замыкание, а PT IGBT — нет.

    В целом, технология NPT более надежна и надежна благодаря более широкой базе и меньшему коэффициенту усиления биполярного транзистора PNP внутри конструкции. Это главное преимущество полупроводникового устройства NPT, хотя его необходимо компенсировать скоростью переключения.

    Что касается максимальных напряжений, то трудно изготовить PT-IGBT с напряжением коллектор-эмиттер больше примерно 600 вольт, в то время как это легко достигается при использовании топологий NPT. Это может повлиять на выбор полупроводникового устройства для любой данной электронной конструкции.

  • Влияние температуры :   Для PT и NPT IGBT скорость включения практически не зависит от температуры. Однако один эффект, который может повлиять на любую конструкцию схемы, заключается в том, что обратный ток восстановления в диоде увеличивается с температурой, и, таким образом, влияние внешнего диода может повлиять на потери при включении в схеме.

    Что касается потерь при выключении, то для устройств NPT скорость и потери на переключение остаются почти постоянными во всем диапазоне температур. Для PT IGBT снижается скорость выключения и, следовательно, увеличиваются коммутационные потери. Однако потери обычно в любом случае невелики, и поэтому маловероятно, что они окажут какое-либо заметное влияние на большинство электронных конструкций.

В любой электронной схеме необходимо сбалансировать преимущества и характеристики обоих типов IGBT. Конкретная электронная конструкция будет диктовать многие требования к устройству, и, следовательно, выбор типа устройства будет исходить из этого.

Характеристики БТИЗ

IGBT — это устройство, управляемое напряжением, что неудивительно, поскольку вход представляет собой изолированный затвор, где напряжение управляет проводимостью.

Полупроводниковому устройству требуется лишь относительно небольшое напряжение на затворе, чтобы обеспечить проводимость — часто 6–10 вольт. Однако эти полупроводниковые устройства являются только однонаправленными, и поэтому они могут управлять током только в одном направлении.

Легко построить передаточную характеристику, показывающую зависимость входного напряжения или напряжения затвора от тока коллектора.

Передаточная характеристика типичного IGBT

Существуют различные состояния устройства. Первоначально, когда на затвор не подается напряжение или разность потенциалов, устройство IGBT находится в состоянии «выключено» и ток не течет.

Однако по мере роста потенциала на клемме затвора он в конечном итоге достигает точки, в которой пороговое напряжение превышено. В этот момент устройство начнет проводить ток, и между коллектором и эмиттером в цепи начнет течь ток.

Глядя на характеристики выхода полупроводникового прибора IGBT, можно выделить три различных области его работы в зависимости от напряжения затвор-эмиттер, В GE

  • В GE = 0:   В этой области полупроводниковый прибор находится в состоянии «ВЫКЛ», и ток между коллектором и эмиттером отсутствует.
  • 0 < V GE < порог:   As V GE начинает расти, наблюдается небольшой ток утечки, но устройство все еще не находится в проводящем состоянии.
  • В GE > пороговое значение:  По достижении порогового напряжения устройство переходит в режим проведения с полупроводниковым устройством в его активной области. Ток, который может протекать через устройство, зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Выходная характеристика типичного IGBT

Обычно IGBT переключаются между полностью выключенным и полностью включенным состояниями. Они используются при переключении питания: источниках питания, широтно-импульсной модуляции и т. д. Низкое сопротивление «включено» снижает уровень рассеивания мощности в любой ситуации с электронным дизайном.

БТИЗ корпуса

IGBT можно купить в различных форматах. Они доступны в виде стандартных полупроводниковых устройств, часто в корпусах типа TO247, TO220 и т. д. или аналогичных, а также в корпусах для поверхностного монтажа, таких как SC-74, SOT-457 и многих других. Ввиду больших коммутационных возможностей многих устройств IGBT они, как правило, поставляются в более крупных корпусах.

IGBT также доступны в модульном формате. Эти модули IGBT представляют собой сборку или модуль, содержащий несколько устройств IGBT. Они могут быть подключены в одной из нескольких конфигураций, таких как полумост, 3-уровневый, двойной, прерыватель, бустер и т. д.

Использование модуля позволяет установить предварительно разработанный элемент в более крупную электронную конструкцию для обеспечения функции без необходимости разработки отдельных электронных схем. Они также могут быть более рентабельными, поскольку производители модулей могут производить их массово.

IGBT, биполярные транзисторы с изолированным затвором, представляют собой дополнительный компонент для электронных схем многих систем питания. Обладая свойствами, которые сочетают в себе некоторые аспекты как биполярных транзисторов, так и полевых МОП-транзисторов, они способны заполнить нишу в инструментарии разработчиков электронных схем, которую не может обеспечить ни один другой компонент.

Другие электронные компоненты:
Резисторы конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор полевой транзистор Типы памяти Тиристор Соединители ВЧ-разъемы Клапаны/трубки Батареи Переключатели Реле Технология поверхностного монтажа
    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Сравнение BJT и MOSFET с адаптером для проверки транзисторов

Компания NI

  • Внутренние инструменты

Содержание

  • Сравнение BJT и MOSFET с адаптером для проверки транзисторов
    • Инвентарь
    • Подключение транзисторов
    • Рабочие регионы BJT
    • MOSFET Рабочие области
    • Сходства и различия
    • Следующие шаги

При создании проектов в области электроники вы, возможно, задавались вопросом, в чем разница между двумя наиболее часто используемыми типами транзисторов: транзисторами с биполярным переходом (BJT) и полевыми транзисторами металл-оксид-полупроводник (MOSFET). В этом руководстве обсуждаются некоторые различия между биполярным транзистором PNP и полевым МОП-транзистором с каналом P на основе их характеристических кривых.


Инвентарь

Подключение транзисторов

Вставляйте по одному транзистору в адаптер, чтобы выполнить соответствующие измерения. При работе с полевым МОП-транзистором подключите сток устройства к коллектору адаптера (обозначен «C»), затвор — к базе («B»), а исток — к эмиттеру («E»).

Адаптер BJT МОП-транзистор
Коллектор («C») Коллектор Слив
Основание («B») Основание Ворота
Излучатель («E») Излучатель Источник

Хотя вы не можете выполнять измерения для обоих транзисторов одновременно, вы можете сохранить текущее измерение в WaveForms и позже отобразить его в качестве эталона.


Регионы эксплуатации BJT

Выберите PNP в инструменте Curve Tracer. Вы можете оставить все настройки по умолчанию. Мы рассмотрим графики Ic/Vce(Ib).

Если мы построим зависимость тока коллектора транзистора от напряжения коллектор-эмиттер для различных токов базы, мы получим графики, подобные представленному справа. Каждый из этих графиков имеет точку, после которой график становится линейным. Мы проанализируем поведение транзистора до и после этого момента.

Прежде чем график станет линейным, транзистор находится в так называемом режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора не так сильно зависит от тока базы, но большое влияние на него оказывает напряжение коллектор-эмиттер. Этот режим работы соответствует переключателю.

Линейная часть графика соответствует активной (линейной) области. В этой области на ток коллектора практически не влияют изменения напряжения коллектор-эмиттер, он определяется только током базы. В этом режиме транзистор работает как усилитель.

Примечание: Есть еще два режима работы, которых нет на этом графике: транзистор находится в режиме отсечки, когда ток коллектора равен 0, и режим пробоя соответствует состоянию, при котором напряжение коллектор-эмиттер возрастает настолько, что полупроводник в устройстве выходит из строя, позволяя току свободно течь (это вызывает разрушение устройства).


Рабочие области MOSFET

Выберите P-FET в Curve Tracer, чтобы построить характеристическую кривую MOSFET. Не забудьте увеличить верхний предел напряжения затвор-исток до 5В! Вы можете оставить другие настройки по умолчанию. Посмотрим на графики Id/Vds.

Если мы построим график зависимости тока стока транзистора от напряжения сток-исток для разных напряжений затвор-исток, мы получим графики, подобные представленному справа. На каждом полученном графике есть точка, после которой график становится горизонтальным. Мы проанализируем поведение транзистора до и после этого момента.

До того, как ток стока насыщается, транзистор находится в линейной (омической) области. В этом режиме ток стока изменяется линейно с напряжением сток-исток, поэтому полевой МОП-транзистор действует как резистор.

Горизонтальная часть графика соответствует области насыщения. В этой области ток стока не зависит от напряжения сток-исток, на него влияет только напряжение затвор-исток. В этом режиме MOSFET работает как переключатель.

Примечание: Существуют и другие режимы работы, которых нет на этом графике. Транзистор находится в режиме отсечки, когда ток стока равен 0 (МОП-транзистор выключен). Подпороговые режимы и режимы слабой инверсии нечасто используются в базовых схемах, их обсуждение выходит за рамки данного руководства.


Сходства и различия

Примечание: Во всех наблюдениях учитываются абсолютные значения токов и напряжений, поэтому они верны как для сравнений NPN и N-каналов, так и для PNP и P-каналов, и им легче следовать. При работе с PNP BJT или P-канальными МОП-транзисторами все токи и напряжения отрицательны.

Сначала посмотрите на поведение транзисторов, когда напряжение коллектор-эмиттер (или сток-исток, в зависимости от устройства) близко к 0.

Ток стока МОП-транзистора начинает расти вскоре после того, как напряжение сток-исток становится выше нуля. Длина линейной области сильно зависит от напряжения затвор-исток: чем выше напряжение, тем позже ток насыщается. Наклон кривых умеренный, увеличивается с увеличением напряжения затвор-исток.

Ток коллектора BJT начинает увеличиваться при более высоком напряжении коллектор-эмиттер, но наклон становится более резким. Область насыщения заканчивается при определенном напряжении коллектор-эмиттер при любом токе базы, поэтому длина области насыщения зависит только от модели транзистора. Кривые для разных базовых токов в этой области очень близки (в идеале они перекрываются).

Теперь посмотрим на поведение при более высоких напряжениях коллектор-эмиттер/сток-исток.

Когда ток стока MOSFET достигает насыщения, он остается постоянным при любом напряжении сток-исток, его значение будет зависеть только от напряжения затвор-исток. Можно заметить, что напряжение затвор-исток выше (до 5 В), чем напряжение, приложенное к сопротивлению, подключенному к базе биполярного транзистора (до 2,5 В). Это связано с тем, что напряжение затвор-исток MOSFET должно быть выше порогового напряжения для включения устройства (которое в данном случае составляет около 3,5 В).

Коллекторный ток биполярного транзистора не остается постоянным после выхода устройства из режима насыщения (в этом случае $V_{CE}$ превышает 0,3 В), а начинает изменяться в зависимости от тока базы, усиливая его на ${\ beta}$, что составляет около 100 для этого транзистора. BJT, как и MOSFET, имеет предел напряжения база-эмиттер, ниже которого он считается выключенным (около 0,7 В в данном случае), но этот предел намного ниже порогового напряжения MOSFET.


Следующие шаги

Для получения дополнительных руководств по использованию Digilent Test & Measurement Device вернитесь в Центр ресурсов устройства, ссылка на который находится на странице Test and Measurement этой вики.

Для получения дополнительной информации об адаптере для тестера транзисторов посетите его Ресурсный центр.

Для получения дополнительной информации о WaveForms посетите Справочное руководство по WaveForms.

Для получения технической поддержки посетите раздел «Тестирование и измерения» форума Digilent.

Что такое биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)? Структура, работа, характеристики и применение

Определение : I изолированный G ate B иполярный T Ранзистор представляет собой управляемое напряжением идеальное переключающее устройство и SFETMO.T. IGBT использует лучшие качества BJT и PMOSFET для создания транзистора, который обладает входными характеристиками MOSFET и выходными характеристиками BJT.

Он считается усовершенствованием технологии силовых МОП-транзисторов и обозначается аббревиатурой IGBT , но иногда его называют MOSIGT, ​​т. е. металлооксидно-полупроводниковый транзистор с изолированным затвором, COMFET, т. е. полевой транзистор с кондуктивной модуляцией, или GEMFET, т. е. полевой транзистор с модулированным усилением. .

Символически IGBT представлен как :

Три вывода IGBT: эмиттер, коллектор и затвор.

Введение в IGTB

В начале мы уже обсуждали, что IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, которая используется в качестве электронного переключателя, обеспечивающего быстрое переключение с высокой эффективностью. Комбинация MOSFET и BJT действует в IGBT таким образом, что входные характеристики обусловлены MOSFET, а выходные характеристики обусловлены BJT. В IGBT MOSFET предлагает высокое значение входного сопротивления с высокой скоростью переключения, в то время как BJT предлагает низкое напряжение насыщения.

Проще говоря, мы можем сказать, что IGBT — это устройство, разработанное с целью обеспечения высокого входного импеданса, как у PMOSFET, и при этом с низкими потерями мощности, как у BJT. BJT страдает от второй проблемы с пробоем, которой нет в IGBT.

Структура

Для создания IGBT рассматривается один кремниевый чип, над которым должным образом соединены несколько структурных ячеек. Базовое структурное представление IGBT приведено ниже:

Из рисунка, приведенного здесь, видно, что конструкция IGBT аналогична конструкции мощного MOSFET с разницей в используемой подложке. Разница в том, что в PMOSFET n 9Используется слой подложки 0710 + , который заменяется слоем p + , называемым коллектором C. Эта подложка p-типа, которая образует соединение с выводом коллектора, известна как инжекционный слой, поскольку он обеспечивает основные носители, т. е. отверстия для n-слой, толщина которого прямо пропорциональна блокирующей способности устройства по напряжению.

Присутствующий p-слой образует корпус IGBT. Итак, здесь pn рассматривается как соединение J 2 .

Из приведенного выше рисунка видно, что конструкция ориентирована вертикально, чтобы обеспечить максимальное значение тока, протекающего через устройство. Здесь мы построили n-канальный IGBT, но, изменив тип легирования, мы можем создать p-канальный IGBT.

Эквивалентная схема

На приведенном ниже рисунке представлена ​​эквивалентная схема IGTB, сформированная с учетом приведенной выше базовой структуры:

Давайте теперь разберемся, как работает IGTB:

Первоначально устройство смещено в прямом направлении за счет положительного вывода коллектора. относительно терминала эмиттера. Кроме того, между затвором и терминалом эмиттера существует нулевое напряжение, поэтому переходы между p-областью и n область, т.е. J 2 будет иметь обратное смещение. Таким образом, при обратном смещении ток через устройство не течет.

Кроме того, когда на затвор подается положительное напряжение по отношению к эмиттеру, то, если V G станет больше порогового значения IGTB, то это приведет к формированию n канала, т.е. инверсионного слоя в область p под затвором, подобная той, которая формируется в полевых МОП-транзисторах. Формирование канала привело к короткому замыканию n + эмиттерная область с дрейфовой областью n . Следовательно, теперь через этот n-канал начинают течь электроны из эмиттерной области n + в дрейфовую область n .

Кроме того, из-за прямого смещения клеммы коллектор-эмиттер дырки из р-области начинают перетекать в дрейфовую область n . В результате дрейфовая область n заполняется как электронами, так и дырками, поступающими из области p-тела и p + район коллектора соответственно. Таким образом, плотность инжектированных носителей в n-дрейфовой области значительно увеличивается, что приводит к увеличению проводимости. Это обеспечивает проводимость внутри IGBT, поскольку поток заряженных носителей в результате вызывает протекание коллекторного тока I C через устройство, и оно включается.

Из приведенного выше обсуждения ясно, что ток коллектора является результатом инжекции дырок из области p + в направлении n p т. е. транзистор Q 1 с сопротивлением R на и инжектированные электроны с коллектора p + в дрейфовую область n с сопротивлением канала n R ch .

Таким образом,

I C = I E = I H + I E

При написании соответствующего Voltage Drop Will Will,

9057 9095. С . Р ч + И С .R d + V j1

Для диода с pn-переходом V j1 существует между 0,7 и 1V .

Характеристики IGBT

На рисунке ниже представлены статические ВАХ n-канального IGBT :

Из приведенного выше графического представления ясно, что мы построили кривую между током коллектора I C и током коллектора -напряжение эмиттера В CE для различных значений напряжения эмиттера затвора В ГЭ . Это означает, что IGTB является устройством, управляемым напряжением.

При отсутствии напряжения затвор-эмиттер из-за обратного смещения перехода J 2 через устройство не протекает ток. Когда на IGTB подается напряжение затвор-эмиттер, даже если подаваемое напряжение меньше порогового значения, через устройство также не будет протекать ток, поэтому оно находится в выключенном состоянии. Но при различных значениях V GE выше порогового значения протекает разный ток через устройство.

Преимущества

  1. Обеспечивает быстрых скоростей переключения .
  2. Сопротивление во включенном состоянии довольно низкое.
  3. Обладает способностью к высокому напряжению .
  4. Таким образом,
  5. биполярный по своей природе обеспечивает повышенную проводимость .
  6. С ним связаны более низкие коммутационные потери .
  7. Он предлагает большую эффективность , чем BJT и MOSFET.

Недостатки

  1. Он предлагает сравнительно более высокое время выключения , чем МОП-транзисторы.
  2. Проблема с фиксацией может привести к чрезмерному рассеиванию мощности устройства, что приведет к его выходу из строя.

Применение IGBT

Обычно они находят применение в устройствах, для работы которых требуется средняя мощность, таких как системы бесперебойного питания, источники питания, приводы двигателей переменного и постоянного тока, приводы соленоидов, подрядчики и т. д.

Изолированные ворота Транзисторы со спецэффектами. Лист 9.0001

PDF-версия

  • Вопрос 1
    Не сиди так! Построй что-нибудь!!

    Обучение математическому анализу цепей требует много занятий и практики. Как правило, учащиеся тренируются, решая множество типовых задач и сверяя свои ответы с теми, что даны в учебнике или преподавателем. Хотя это хорошо, есть гораздо лучший способ.

    Вы узнаете гораздо больше к 9 годам0088 построение и анализ реальных схем , позволяя вашему испытательному оборудованию давать «ответы» вместо книги или другого человека. Для успешного построения схемы выполните следующие шаги:

    1. Тщательно измерьте и запишите номиналы всех компонентов перед сборкой схемы, выбирая номиналы резисторов достаточно высокими, чтобы исключить вероятность повреждения каких-либо активных компонентов.
    2. Нарисуйте принципиальную схему анализируемой цепи.
    3. Аккуратно соберите эту схему на макетной плате или другом удобном носителе.
    4. Проверьте правильность построения схемы, следуя каждому проводу к каждой точке соединения и проверяя эти элементы один за другим на схеме.
    5. Математический анализ цепи, решение для всех значений напряжения и тока.
    6. Тщательно измерьте все напряжения и токи, чтобы убедиться в точности вашего анализа.
    7. Если есть какие-либо существенные ошибки (более нескольких процентов), тщательно сравните конструкцию схемы со схемой, затем тщательно пересчитайте значения и повторите измерения.

    Когда учащиеся впервые изучают полупроводниковые устройства и с наибольшей вероятностью могут повредить их, выполнив неправильное подключение в своих цепях, я рекомендую им поэкспериментировать с большими компонентами высокой мощности (выпрямительные диоды 1N4001, корпус TO-220 или TO-3). силовые транзисторы и т. д.), а также использование источников питания с сухими батареями, а не настольных источников питания. Это снижает вероятность повреждения компонентов.

    Как обычно, избегайте очень высоких и очень низких значений резистора, чтобы избежать ошибок измерения, вызванных «загрузкой» счетчика (на верхнем уровне) и во избежание перегорания транзистора (на нижнем уровне). Я рекомендую резисторы от 1 кОм до 100 кОм.

    Один из способов сэкономить время и уменьшить вероятность ошибки — начать с очень простой схемы и постепенно добавлять компоненты для увеличения ее сложности после каждого анализа, а не создавать совершенно новую схему для каждой практической задачи. Еще один метод экономии времени — повторное использование одних и тех же компонентов в различных конфигурациях схем. Таким образом, вам не придется измерять значение какого-либо компонента более одного раза.

    Показать ответ

    Пусть сами электроны дадут вам ответы на ваши «учебные задачи»!

    Примечания:

    По моему опыту, студенты должны много практиковаться в анализе цепей, чтобы стать профессионалом. С этой целью преподаватели обычно дают своим ученикам множество практических задач для решения и дают ответы, чтобы студенты могли проверить свою работу. Хотя этот подход позволяет учащимся хорошо разбираться в теории цепей, он не дает им полного образования.

    Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические занятия по построению схем и использованию тестового оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: студенты должны создают свои собственные «учебные задачи» с реальными компонентами и пытаются математически предсказать различные значения напряжения и тока. Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которые они не получили бы, просто решая уравнения.

    Другая причина для следования этому методу практики состоит в том, чтобы научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем выполнения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки устранения неполадок, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схемы.

    Потратьте несколько минут вместе с классом на изучение некоторых «правил» построения схем до того, как они начнутся. Обсудите эти вопросы со своими учениками в той же сократовской манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы из рабочего листа, а не просто говорите им, что они должны и не должны делать. Я не перестаю удивляться тому, как плохо студенты усваивают инструкции, представленные в формате типичной лекции (монолога инструктора)!

    Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потерянное впустую» время, необходимое для того, чтобы студенты строили реальные схемы, а не просто математически анализировали теоретические схемы:

    С какой целью студенты изучают ваш курс?

    Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, им следует по возможности учиться на реальных схемах. Если ваша цель — обучить физиков-теоретиков, то обязательно придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планирует, чтобы наши ученики делали что-то в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потерянное» время, потраченное на построение реальных схем, окупится огромными дивидендами, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

    Кроме того, когда студенты создают свои собственные практические задачи, они узнают, как выполнять первичные исследования , что дает им возможность самостоятельно продолжить свое образование в области электротехники/электроники.

    В большинстве наук реалистичные эксперименты гораздо сложнее и дороже поставить, чем электрические цепи. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их студенты применяли передовую математику в реальных экспериментах, не представляющих угрозы безопасности и стоящих меньше, чем учебник. Они не могут, а вы можете. Используйте удобство, присущее вашей науке, и пусть ваши ученики попрактикуются в математике на множестве реальных схем!

  • вопрос 2

    На следующем рисунке показано поперечное сечение полевого транзистора с изолированным затвором , иногда называемого IGFET :

    Объясните, что происходит, когда на затвор подается положительное напряжение (со ссылкой на подложке), с учетом электропроводности между истоком и стоком:

    Показать ответ

    Когда на затвор подается достаточное положительное напряжение, непосредственно под ним формируется инверсионный слой , создавая канал N-типа для тока сток-исток:

    Примечания:

    формируется инверсионный слой и что это означает для проводимости исток-сток, если инверсионный слой отсутствует.

    Обсудите со своими учениками тот факт, что этот инверсионный слой невероятно тонкий; поэтому его часто называют двумерным «листом» носителей заряда.

    Также сообщите своим учащимся, что, хотя «IGFET» является общим термином для такого устройства, «MOSFET» чаще используется в качестве обозначения из-за истории устройства.

  • Вопрос 3

    Буквы «MOS» в аббревиатуре «MOSFET» означают «Metal Oxide Semiconductor». Опишите, что это означает применительно к конструкции полевого МОП-транзистора.

    Показать ответ

    Упомянутый «оксид» представляет собой слой изоляционного материала, помещенный между металлическим выводом затвора и полупроводниковым полевым каналом.

    Дополнительный вопрос: МОП-транзисторы иногда называют «IGFET». Объясните, что означает эта другая аббревиатура и как она означает то же самое, что и «MOSFET».

    Примечания:

    Объясните своим ученикам, что IGFET — более общий термин, чем MOSFET, поскольку диоксид кремния — не единственный подходящий материал, из которого можно сделать изолирующий слой для затвора.

  • Вопрос 4

    Некоторые типы МОП-транзисторов имеют канал исток-сток, уже сформированный без приложенного напряжения затвора:

    Объясните, что происходит с проводимостью исток-сток при каждом из следующих приложенных напряжений затвор-подложка. При необходимости измените иллюстрации:

    Показать ответ

    Примечания:

    Попросите учащихся сравнить поведение МОП-транзистора этого типа с поведением типа, требующего напряжения затвора для создания инверсионного слоя.

  • Вопрос 5

    Существует два основных класса МОП-транзисторов: МОП-транзисторы, проводящие без приложенного напряжения на затворе, и МОП-транзисторы, которым для проводимости требуется приложение напряжения на затворе. Как называется каждый из этих типов полевых МОП-транзисторов и каковы их соответствующие схематические обозначения?

    Каждый из символов этих различных типов МОП-транзисторов содержит подсказки к типам транзисторов, которые они представляют. Объясните, как символы намекают на характеристики соответствующих типов транзисторов.

    Показать ответ

    МОП-транзисторы с истощением (тип D) проводят ток без приложенного напряжения на затворе. Усовершенствованный тип (тип E) МОП-транзисторы требуют приложения напряжения затвора для проводимости.

    Примечания:

    Часть этого вопроса, касающаяся подсказок внутри символов транзисторов, очень важна. Вашим учащимся будет намного легче запомнить функцию каждого типа транзистора, если они смогут распознать подсказки в символике.

  • Вопрос 6

    Определите эти схематические обозначения:

    Показать ответ

    Примечания:

    Символ «пузырь» на затворе P-канальных устройств напоминает пузыри с инверсией, используемые на символах логических затворов. Я предполагаю, что к этому моменту ваши ученики еще не изучали логические вентили, так что это предзнаменование грядущих событий!

  • Вопрос 7

    Полевые транзисторы классифицируются как устройства с основной несущей . Объяснить, почему.

    Показать ответ

    Проводимость через полевой транзистор зависит от носителей заряда, присутствующих в канале из-за легирования («основной» тип носителей заряда).

    Вопрос обзора: напротив, почему транзисторы с биполярным переходом считаются устройствами с неосновными носителями ?

    Примечания:

    Спросите своих учеников, какой тип транзистора работает на 9Принцип неосновных носителей 0088 , в отличие от полевых транзисторов.

  • Вопрос 8

    Биполярные переходные транзисторы (BJT) считаются «нормально выключенными» устройствами, поскольку в их естественном состоянии без подачи сигнала на базу отсутствует проводимость между эмиттером и коллектором, как у разомкнутого переключателя. Считаются ли полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) одинаковыми? Почему или почему нет?

    Показать ответ

    БТИЗ могут быть изготовлены или как «нормально включенные» или «нормально выключенные» устройства.

    Примечания:

    Попросите учащихся уточнить данный ответ. Не принимайте бездумное повторение ответа, что «это зависит от того, как они изготовлены», а скорее потребуйте, чтобы было дано какое-то объяснение относительно , почему IGFET будет нормально включенным, а не нормально выключенным.

  • Вопрос 9

    Типичная величина тока через клемму затвора MOSFET намного меньше, чем типичная величина тока через базовую клемму BJT для аналогичных регулируемых токов (соответственно сток или коллектор). Объясните, в чем заключается конструкция и/или использование полевого МОП-транзистора, ограничивающего входной ток почти до нуля при нормальной работе.

    Показать ответ

    Затвор электрически изолирован от канала.

    Примечания:

    При необходимости вернитесь к схеме MOSFET в разрезе, чтобы помочь учащимся понять, почему входное сопротивление MOSFET такое, какое оно есть.

  • Вопрос 10

    Полевые транзисторы на основе оксида металла (МОП-транзисторы) по своим характеристикам отличаются от транзисторов с биполярным переходом (БЮТ) по нескольким параметрам. Обратитесь к каждому из этих поведенческих аспектов в своем ответе:

    Коэффициент усиления по току
    Проводимость без входного сигнала (затвор/база)
    Поляризация

    Показать ответ

    МОП-транзисторы имеют гораздо больший коэффициент усиления по току, чем биполярные транзисторы.

    BJT — это нормально выключенные устройства, тогда как MOSFET может быть либо нормально включенным, либо нормально выключенным в зависимости от его изготовления.

    МОП-транзисторы могут одинаково легко пропускать ток от истока к стоку или от стока к истоку. BJT могут пропускать ток от эмиттера к коллектору только в одном направлении.

    Примечания:

    Для каждого из этих поведенческих аспектов обсудите со своими учащимися, почему различаются два типа транзисторов.

  • Вопрос 11

    МОП-транзисторы типа E представляют собой нормально выключенных устройств, точно таких же, как транзисторы с биполярным переходом, естественное состояние их каналов сильно препятствует прохождению электрических токов. Таким образом, состояние проводимости возникает только по команде из внешнего источника.

    Объясните, что нужно сделать с MOSFET E-типа, в частности, чтобы перевести его в состояние проводимости (где образуется канал для проведения тока между истоком и стоком).

    Показать ответ

    Между затвором и подложкой (или затвором и истоком, если подложка подключена к выводу истока) должно быть приложено напряжение таким образом, чтобы полярность вывода затвора электростатически притягивала основные носители заряда канала (образуя непосредственно инверсионный слой). под изоляционным слоем, отделяющим ворота от канала).

    Примечания:

    Это, пожалуй, самый важный вопрос, на который ваши студенты должны научиться отвечать при первом изучении полевых МОП-транзисторов Е-типа. Что именно нужно для включения? Попросите учащихся нарисовать диаграммы, чтобы проиллюстрировать свои ответы, когда они представляются перед классом.

    Попросите их конкретно указать, какая полярность V GS должна применяться для включения N-канального MOSFET E-типа, а также P-канального MOSFET E-типа.

  • Вопрос 12

    МОП-транзисторы D-типа представляют собой нормально включенных устройств, точно таких же, как полевые транзисторы с переходом, естественное состояние их каналов позволяет пропускать электрические токи. Таким образом, состояние отсечки возникает только по команде из внешнего источника.

    Объясните, что нужно сделать с MOSFET D-типа, в частности, чтобы перевести его в состояние отсечки (когда канал полностью опустошен).

    Показать ответ

    Напряжение должно быть приложено между затвором и подложкой (или затвором и истоком, если подложка подключена к выводу истока) таким образом, чтобы полярность вывода затвора электростатически отталкивала основные носители заряда канала.

    Дополнительный вопрос: в отличие от полевых транзисторов JFET, полевые МОП-транзисторы D-типа могут быть безопасно «улучшены» за пределы проводимости их естественного состояния. Опишите, что необходимо, чтобы «командовать» полевой МОП-транзистор D-типа вести себя лучше, чем обычно.

    Примечания:

    Возможно, это самый важный вопрос, на который ваши студенты должны научиться отвечать при первом изучении МОП-транзисторов D-типа. Что именно нужно для отключения? Попросите учащихся нарисовать диаграммы, чтобы проиллюстрировать свои ответы, когда они представляются перед классом.

    Попросите их конкретно указать, какая полярность V GS должна применяться для выключения N-канального MOSFET D-типа, а также P-канального MOSFET D-типа.

  • Вопрос 13

    Полевые транзисторы на основе оксида металла (MOSFET) в некоторых отношениях отличаются от полевых транзисторов с соединением (JFET). Объясните своими словами, в чем разница.

    Показать ответ

    Я позволю вам провести собственное исследование здесь.

    Примечания:

    Несмотря на большое сходство, MOSFET и JFET не идентичны. Попросите своих учеников объяснить , почему два типа транзисторов ведут себя по-разному, а не просто перечислить различия, прочитанные из учебника или другого справочника.

  • Вопрос 14

    Определите каждый тип MOSFET (будь то N-канальный или P-канальный, D-тип или E-тип), пометьте клеммы и определите, будет ли MOSFET в каждой из этих цепей включен на или на :

    Показать ответ

    Дополнительный вопрос: какой из этих транзисторов обеднен , а какой усилен ?

    Примечания:

    Для ваших учеников очень важно понять, какие факторы в цепи заставляют MOSFET включаться или выключаться. Часть информации, содержащейся на диаграммах, имеет отношение к определению состояния каждого транзистора, а часть нет.

    Обязательно попросите учащихся объяснить, как они объясняют состояние каждого транзистора. Какой фактор или комбинация факторов необходимы для включения или выключения полевого МОП-транзистора?

  • Вопрос 15

    Определите каждый тип MOSFET (будь то N-канальный или P-канальный, D-тип или E-тип), пометьте клеммы и определите, будет ли MOSFET в каждой из этих цепей включен на или от :

    Показать ответ

    Дополнительный вопрос: какой из этих транзисторов истощен , а какой усилен ?

    Примечания:

    Для ваших учеников очень важно понять, какие факторы в цепи заставляют MOSFET включаться или выключаться. Часть информации, содержащейся на диаграммах, имеет отношение к определению состояния каждого транзистора, а часть нет.

    Обязательно попросите учащихся объяснить, как они объясняют состояние каждого транзистора. Какой фактор или комбинация факторов необходимы для включения или выключения полевого МОП-транзистора?

  • Вопрос 16

    Определите каждый тип MOSFET (будь то N-канальный или P-канальный, D-тип или E-тип), пометьте клеммы и определите, будет ли MOSFET в каждой из этих цепей включен на или от :

    Показать ответ

    Дополнительный вопрос: какой из этих транзисторов обеднен , а какой усилен ?

    Примечания:

    Очень важно, чтобы ваши ученики понимали, какие факторы в цепи вызывают включение или выключение полевого МОП-транзистора. Часть информации, содержащейся на диаграммах, имеет отношение к определению состояния каждого транзистора, а часть нет.

    Обязательно попросите учащихся объяснить, как они объясняют состояние каждого транзистора. Какой фактор или комбинация факторов необходимы для включения или выключения полевого МОП-транзистора?

  • Вопрос 17

    Объясните, почему разработчик схемы предпочел бы полевой МОП-транзистор биполярному транзистору для определенного приложения. Какие преимущества имеет полевой МОП-транзистор перед биполярным транзистором?

    Контрольный вопрос: подтвердите свою точку зрения, сравнив параметрические характеристики из таблиц данных двух транзисторов, одного биполярного и другого с полевым эффектом с изолированным затвором. Убедитесь, что эти два транзистора имеют одинаковые управляемые токи (максимальный ток коллектора и ток стока соответственно).

    Показать ответ

    МОП-транзисторы имеют чрезвычайно низкие требования к входному току.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, что означает «ток возбуждения» с точки зрения номиналов транзисторов. Также попросите их объяснить , почему MOSFET не требуют такого большого тока возбуждения, как биполярные транзисторы. Предложите им доказать свою точку зрения путем сравнения таблиц данных.

    Является ли низкий управляющий ток единственным преимуществом полевых МОП-транзисторов перед биполярными транзисторами? Задайте этот вопрос своим ученикам, чтобы узнать, исследовали ли они эти соответствующие устройства дальше, чем требовал вопрос.

  • Вопрос 18

    Что означает термин крутизна применительно к полевому транзистору? Является ли функция крутизны для полевого транзистора линейной или нелинейной зависимостью? Объясните почему, сославшись на уравнение, если это вообще возможно, чтобы объяснить ваш ответ.

    Показать ответ

    «Крутая проводимость» относится к величине изменения тока стока при заданной величине изменения напряжения затвора \((\frac{\Delta I_D}{\Delta V_G})\. Функция крутизны для полевого транзистора определенно нелинейна.

    Контрольный вопрос: в какой единице измерения можно выразить крутизну?

    Примечания:

    Транскондуктивность является параметром не только JFET, но и MOSFET (IGFET) и электронных ламп. Любое устройство регулирования тока, управляемое напряжением, имеет значение крутизны (хотя оно может изменяться в рабочем диапазоне устройства, так же как β изменяется в рабочем диапазоне биполярного транзистора).

  • Вопрос 19

    Соединение «подложка» в МОП-транзисторах часто имеет внутреннее соединение с источником, например:

    Это превращает МОП-транзистор из устройства с четырьмя выводами в устройство с тремя выводами, что упрощает его использование. Однако одним из следствий этой внутренней связи является создание паразитного диода между выводами истока и стока: PN-переход, который существует, хотим мы этого или нет.

    Добавьте этот паразитный диод к показанному здесь символу MOSFET (представляющему поперечное сечение MOSFET, показанному выше), и объясните, как его присутствие влияет на использование транзистора в реальной схеме:

    Показать ответ

    Дополнительный вопрос: как присутствие этого паразитного диода позволяет нам однозначно отличить клемму истока от клеммы затвора при идентификации клемм МОП-транзистора с помощью мультиметра?

    Примечания:

    Наличие этого диода очень важно для понимания учащимися, поскольку он делает МОП-транзистор односторонним устройством для большинства практических целей. Обсудите значение этого диода и сравните характеристики трехвыводного MOSFET с характеристиками трехвыводного JFET, который является действительно двусторонним устройством.

  • Вопрос 20

    Технический специалист использует цифровой мультиметр (с функцией «проверки диодов») для определения клемм силового МОП-транзистора:

    Технический специалист получает следующие измерения напряжения «проверки диодов» в следующем порядке:

    1. Черный провод на средней клемме, красный провод на правой клемме = 0,583 В ( показан на рисунке )
    2. Красный провод на средней клемме, черный провод на правой клемме = O.L. (открыто)
    3. Черный провод на средней клемме, красный провод на левой клемме = O.L. (открыто)
    4. Черный провод на средней клемме, красный провод на правой клемме = 0,001 В
    5. Красный провод на средней клемме, черный провод на правой клемме = 0,001 В

    Объясните, почему четвертое и пятое измерения так сильно отличаются от первого и второго соответственно, когда они проводились между одними и теми же выводами на полевом транзисторе. Подсказка: этот конкретный МОП-транзистор является N-канальным усовершенствованным типом.

    Показать ответ

    Действие третьего измерения привело транзистор во включенное (насыщенное) состояние с помощью выходного напряжения мультиметра в режиме проверки диодов. Затем полевой МОП-транзистор оставался во включенном состоянии для четвертого и пятого измерений.

    Дополнительный вопрос: куда должен быть подключен счетчик, чтобы принудительно перевести полевой МОП-транзистор в выключенное (отсечное) состояние?

    Примечания:

    Полевые транзисторы, по самой своей природе являющиеся устройствами, активируемыми напряжением, с очень высоким входным сопротивлением, идентифицировать труднее, чем транзисторы с биполярным переходом, потому что выход измерителя в режиме «проверки диодов» достаточен чтобы активировать и деактивировать их. Этот вопрос демонстрирует практический пример этого (значения на самом деле получены в результате реальных испытаний транзистора IRF510!).

  • Вопрос 21

    При работе с цепями, содержащими МОП-транзисторы, важно учитывать электростатический разряд или электростатический разряд . Опишите, что это за явление и почему оно важно для схем MOSFET.

    Показать ответ

    «Электростатический разряд» — это приложение очень высокого напряжения к компонентам цепи в результате контакта или близости с электрически заряженным телом, таким как человек. Высокие напряжения статического электричества очень вредны для МОП-транзисторов. Я позволю вам исследовать, почему!

    Примечания:

    Обязательно попросите учащихся объяснить механизм повреждения транзисторов в результате электростатического разряда и обсудить величину статического напряжения, обычно возникающего в условиях сухого воздуха. Если у вас есть микрофотографии повреждений ИС от электростатического разряда, представьте несколько из них во время обсуждения, чтобы ваши ученики могли их просмотреть.

  • Вопрос 22

    Антистатические браслеты обычно надеваются техниками при работе с цепями, содержащими МОП-транзисторы. Объясните, как используются эти ремни и как бы вы проверили их, чтобы убедиться, что они работают правильно.

    Показать ответ

    Простая проверка омметром должна выявить мегаомные уровни сопротивления между точкой контакта ремня с кожей и металлическим зажимом заземления.

    Дополнительный вопрос: почему между браслетом и заземляющим зажимом намеренно установлено сопротивление? Что было бы не так с простым соединением 0 Ом между ремешком и заземлением (т.е. непрерывным отрезком провода)?

    Примечания:

    Хороший вопрос, который можно задать своим ученикам: , почему антистатическая защита важна при работе с MOSFET-устройствами. Вы никогда не должны предполагать, что это очевидно, если только эта тема не была затронута в вопросе, непосредственно предшествующем этому!

    Ваши учащиеся должны иметь антистатический браслет как часть своего регулярного набора инструментов. При обсуждении этого вопроса было бы хорошо, если бы учащиеся использовали свои омметры для проверки работы браслетов.

  • Вопрос 23

    Завершите схему, показывающую, как кнопочный переключатель можно подключить к затвору MOSFET для управления нагрузкой:

    Показать ответ

    Это решение хоть и работоспособно, но не самое практичное. Улучшите этот дизайн!

    Дополнительный вопрос: вы бы сказали, что этот транзистор отдает тока в нагрузку или потребляет тока от нагрузки? Поясните свой ответ.

    Примечания:

    Обсудите со своими учащимися, почему схема, показанная в ответе, не обязательно будет практичной, и вместе разработайте лучшую конструкцию.

  • Вопрос 24

    Определите, находится ли нагрузка под напряжением или обесточивается, когда переключатель находится в показанном положении. Кроме того, определите, относится ли транзистор к типу истощения или к типу расширения :

    Показать ответ

    Нагрузка будет обесточена в результате того, что этот транзистор типа истощения находится в выключенном состоянии.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, как они выяснили состояние транзистора в этой схеме, а также какую функцию выполняет двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT). Между прочим, эта конфигурация проводки переключателя DPDT довольно распространена в электрических и электронных схемах!

  • Вопрос 25

    Определите, находится ли нагрузка под напряжением или обесточивается, когда переключатель находится в показанном положении. Кроме того, определите, относится ли транзистор к типу истощения или к типу расширения :

    Показать ответ

    На нагрузку будет подано питание в результате того, что этот транзистор усовершенствованного типа находится во включенном состоянии.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, как они выяснили состояние транзистора в этой схеме, а также какую функцию выполняет двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT). Между прочим, эта конфигурация проводки переключателя DPDT довольно распространена в электрических и электронных схемах!

  • Вопрос 26

    Определите, находится ли нагрузка под напряжением или обесточивается, когда переключатель находится в показанном положении. Кроме того, определите, относится ли транзистор к типу истощения или к типу расширения :

    Показать ответ

    Нагрузка будет под напряжением в результате того, что этот транзистор обедненного типа находится во включенном состоянии.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, как они выяснили состояние транзистора в этой схеме, а также какую функцию выполняет двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT). Между прочим, эта конфигурация проводки переключателя DPDT довольно распространена в электрических и электронных схемах!

  • Вопрос 27

    Определите, находится ли нагрузка под напряжением или обесточивается, когда переключатель находится в показанном положении. Кроме того, определите, относится ли транзистор к типу истощения или к типу расширения :

    Показать ответ

    На нагрузку будет подано питание в результате того, что этот транзистор усовершенствованного типа находится во включенном состоянии.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, как они выяснили состояние транзистора в этой схеме, а также какую функцию выполняет двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT). Между прочим, эта конфигурация проводки переключателя DPDT довольно распространена в электрических и электронных схемах!

  • Вопрос 28

    Определите, находится ли нагрузка под напряжением или обесточивается, когда переключатель находится в показанном положении. Кроме того, определите, относится ли транзистор к типу истощения или к типу расширения :

    Показать ответ

    Нагрузка будет обесточена в результате того, что этот транзистор расширенного типа находится в выключенном состоянии.

    Примечания:

    Попросите учащихся объяснить, как они выяснили состояние транзистора в этой схеме, а также какую функцию выполняет двухполюсный двухпозиционный переключатель (DPDT). Между прочим, эта конфигурация проводки переключателя DPDT довольно распространена в электрических и электронных схемах!

  • Вопрос 29

    Часто необходимо иметь силовой транзистор источник тока в нагрузку (обеспечить путь от шины положительного напряжения питания к нагрузке), а не сток ток от нагрузки (обеспечить путь от нагрузки к шине отрицательного напряжения или земле), поскольку одна сторона нагрузки уже подключена к земле:

    Когда транзистор является источником тока, его часто называют как коммутатор верхнего плеча . Определите требования к управляющему напряжению для каждого из этих переключателей MOSFET верхнего плеча; то есть определить, что необходимо подключить к затвору каждого транзистора, чтобы он полностью включился, чтобы нагрузка получила полную мощность:

    Показать ответ

    Для P-канального МОП-транзистора необходимо просто заземлить затвор. Для N-канального МОП-транзистора затвор необходимо довести до положительного напряжения, превышающего V, по крайней мере, на V GS (вкл.).

    Дополнительный вопрос: обсудите, почему термины «источник» и «приемник» имеют наибольший смысл, если рассматривать их с точки зрения общепринятого потока текущих обозначений. Для сравнения, вот та же схема со стрелками, нарисованными в направлении потока электронов:

    Наводящий вопрос: несмотря на более высокие требования к управлению затвором N-канальных МОП-транзисторов верхнего плеча, в практических схемах они часто предпочтительнее P-канальных устройств. Объяснить, почему. Подсказка: это как-то связано с мобильностью авианосца .

    Примечания:

    Это хорошее упражнение для определения надлежащей полярности (и величины) напряжения затвора, а также для ознакомления с концепциями источника и стока тока и переключения на стороне высокого напряжения. Обязательно потратьте время на обсуждение вопроса об источниках и стоках, так как это будет иметь большее значение позже в исследованиях ваших студентов (особенно при проектировании схем логических вентилей).

  • Вопрос 30

    Нарисуйте надлежащие проводные соединения, необходимые для «усиления» этого полевого МОП-транзистора напряжением солнечного элемента, чтобы батарея активировала реле при достаточном освещении солнечного элемента:

    Показать ответ

    Контрольный вопрос: подключите в показанную цепь коммутирующий («обратный») диод, чтобы индуктивная «отдача» от отключения реле не повредила MOSFET.

    Примечания:

    Учащиеся должны отметить, что показанная схема — не единственный возможный способ использования полевого МОП-транзистора для включения реле. Часто выводы подложки (SS) и истока (S) полевого МОП-транзистора делают общими друг с другом, так что управляющая и управляемая цепи имеют общую точку (обычно точку «земли» системы).

    Спросите учащихся, что произойдет, если поменять полярность батареи.

  • Вопрос 31

    Объясните, что произойдет в этой схеме, если каждый кнопочный переключатель будет нажат отдельно:

    Можете ли вы придумать какое-либо практическое применение для такой схемы?

    Показать ответ

    Эта схема широко известна как бистабильная защелка , поскольку она может «фиксироваться» в двух различных стабильных состояниях.

    Если у вас возникли трудности с анализом работы этой схемы, представьте, что один из транзисторов находится в состоянии «включено», а другой — в состоянии «выключено» сразу после подачи питания. Затем спросите себя, что произойдет при нажатии каждой кнопки.

    Примечания:

    Схемы с бистабильной защелкой или мультивибратором весьма полезны и довольно просты в реализации с полевыми МОП-транзисторами, как показывает этот пример. Обсудите некоторые практические приложения со своими учениками, особенно если они не обнаружили несколько собственных приложений.

  • Вопрос 32

    В этой схеме используется комбинация емкости и сопротивления для создания временной задержки при отпускании кнопочного переключателя, в результате чего лампа остается включенной на короткое время после размыкания переключателя:

    Рассчитайте, как долго лампа будет оставаться включенной после размыкания ключа, предполагая, что пороговое напряжение затвора (включения) МОП-транзистора составляет V GS(th) = 4 вольта.

    Показать ответ

    t задержка = 2,05 секунды

    Примечания:

    Чтобы решить эту задачу, учащиеся должны применить свои знания о цепях емкостного разряда, чтобы найти правильное уравнение для времени. Спросите их, как они подготовили решение и как узнали, какие уравнения использовать.

  • Вопрос 33

    Предскажите, как на эту цепь повлияют следующие неисправности. Рассматривайте каждую неисправность отдельно (т. е. по одной, без множественных неисправностей):

    Транзистор Q 1 неисправен (отток к истоку):
    Транзистор Q 1 не закорочен (отток к истоку):
    Резистор R 1 не открывается:

    Для каждого из этих состояний объясните почему возникнут результирующие эффекты.

    Показать ответ

    Транзистор Q 1 не открывается (сток-исток): Двигатель отказывается работать.
    Транзистор Q 1 неисправен, короткое замыкание (сток-исток): Двигатель работает все время и не выключается.
    Резистор R 1 не открывается: Двигатель работает при нажатии переключателя, выключается долго при отпускании переключателя.

    Примечания:

    Целью этого вопроса является подход к поиску и устранению неисправностей цепи с точки зрения знания неисправности, а не только знания ее симптомов. Хотя это не обязательно реалистичная перспектива, она помогает учащимся получить базовые знания, необходимые для диагностики неисправной цепи на основе эмпирических данных. За подобными вопросами должны следовать (в конечном итоге) другие вопросы, в которых учащимся предлагается определить вероятные неисправности на основе измерений.

  • Вопрос 34

    Предскажите, как на эту цепь повлияют следующие неисправности. Рассматривайте каждую неисправность отдельно (т. е. одну за другой, без множественных неисправностей):

    Транзистор Q 1 неисправен, закорочен (коллектор-эмиттер):
    Транзистор Q 2 не открывается (сток-исток):
    Резистор R 1 не открывается:
    Резистор R 2 не открывается:

    Для каждого из этих условий объясните, почему возникнут результирующие эффекты.

    Показать ответ

    Транзистор Q 1 неисправен, короткое замыкание (сток-исток): Двигатель работает все время и не выключается.
    Транзистор Q 2 не открывается (сток-исток): Двигатель отказывается работать.
    Резистор R 1 не открывается: Двигатель отказывается работать.
    Резистор R 2 не удается открыть: Двигатель работает при нажатии переключателя, требуется много времени для выключения при отпускании переключателя.

    Примечания:

    Цель этого вопроса состоит в том, чтобы подойти к области поиска и устранения неисправностей схемы с точки зрения знания неисправности, а не только знания ее симптомов. Хотя это не обязательно реалистичная перспектива, она помогает учащимся получить базовые знания, необходимые для диагностики неисправной цепи на основе эмпирических данных. За подобными вопросами должны следовать (в конечном итоге) другие вопросы, в которых учащимся предлагается определить вероятные неисправности на основе измерений.

  • Вопрос 35

    Предскажите, как на эту цепь повлияют следующие неисправности. Рассматривайте каждую неисправность отдельно (т. е. по одной, без множественных неисправностей):

    Транзистор Q 1 неисправен, закорочен (сток-исток):
    Транзистор Q 2 не закорочен (отток к истоку):
    Резистор R 1 не открывается:
    Резистор R 2 не открывается:
    Перемычка под пайку (короткая) прошлый резистор R 1 :

    Для каждого из этих условий объясните, почему возникнут результирующие эффекты.

    Показать ответ

    Транзистор Q 1 неисправен, закорочен (отток к истоку): Двигатель отказывается работать.
    Транзистор Q 2 неисправен, закорочен (от стока к истоку): Двигатель работает все время и не выключается.
    Резистор R 1 не открывается: Двигатель работает все время и не выключается.
    Резистор R 2 не открывается: Двигатель отказывается работать.
    Паяный мост (короткий) мимо резистора R 1 : Двигатель работает, когда переключатель первоначально не нажат (как и должно быть), но транзистор Q 1 выйдет из строя при нажатии переключателя. Это может привести к тому, что двигатель перестанет работать или никогда не остановится, в зависимости от причины отказа Q 1 . В результате также может перегореть предохранитель.

    Примечания:

    Цель этого вопроса состоит в том, чтобы подойти к области поиска и устранения неисправностей схемы с точки зрения знания неисправности, а не только знания ее симптомов. Хотя это не обязательно реалистичная перспектива, она помогает учащимся получить базовые знания, необходимые для диагностики неисправной цепи на основе эмпирических данных. За подобными вопросами должны следовать (в конечном итоге) другие вопросы, в которых учащимся предлагается определить вероятные неисправности на основе измерений.

  • Вопрос 36

    Очень полезной схемой MOSFET является двухсторонний переключатель , пример показан здесь для анализа:

    Схема «двойного инвертора» просто гарантирует, что две линии управления A и B всегда будут иметь противоположную полярность (одна на V dd потенциал, другой потенциал земли).

    Каково назначение схемы «двустороннего переключения»? Подсказка: существует две реализации двустороннего переключателя на интегральных схемах — 4016 и 4066. Чтобы узнать больше, изучите технические описания этих интегральных схем!

    Показать ответ

    Я позволю вам исследовать это самостоятельно!

    Примечания:

    Если ваши учащиеся еще не знакомы с цифровыми транзисторными схемами, самое время познакомить с понятием «высокий» и «низкий» логические состояния, в данном случае как управляющие сигналы для двусторонних переключить ячейку.

    Спросите своих учеников, какова цель двустороннего переключателя, поскольку у нас уже есть механические переключатели, способные переключать практически любой известный тип электрического сигнала.

  • Вопрос 37

    Особым типом полевого транзистора с изолированным затвором является полевой МОП-транзистор с двойным затвором , показанный здесь:

    Нарисуйте принципиальную схему, используя обычные (с одним затвором) МОП-транзисторы, эквивалентные этому двухзатворному МОП-транзистору.

    Показать ответ

    Примечания:

    Довольно простой ответ на этот вопрос, но настоящая цель состоит в том, чтобы побудить учащихся думать о сложных элементах схемы с точки зрения эквивалентных схем , состоящих из простых, идеализированных компонентов.

  • Вопрос 38

    ∫f(x) dx Внимание!


    Потенциальная проблема для силовых МОП-транзисторов — это \(\frac{dv}{dt}\) индуцированное включение . Объясните, почему МОП-транзистор может включиться, когда он не должен, при условии чрезмерного \(\frac{dv}{dt}\).

    Показать ответ

    Если скорость изменения напряжения стока во времени \(\frac{dv}{dt}\) чрезмерна, транзистор может включиться из-за эффекта связи емкости затвор-сток (C GD ).

    Контрольный вопрос: нарисуйте эквивалентную принципиальную диаграмму, показывающую паразитную емкость C GD , и напишите уравнение, связывающее емкостной ток с мгновенным изменением напряжения во времени.

    Примечания:

    Этот вопрос является хорошим обзором теории конденсаторов и математических обозначений. Попросите учащихся объяснить, что именно означает [dv/dt] и как оно связано с током в цепи, содержащей емкость.

    Проблема индуцированного dv/dt включения не является уникальной для мощных полевых МОП-транзисторов. Различные тиристоры, особенно тиристоры и симисторы, также имеют эту проблему.

  • Вопрос 39

    Найдите один или два настоящих полевых транзистора с изолированным затвором и принесите их с собой в класс для обсуждения. Предоставьте как можно больше информации о своих транзисторах до обсуждения:

    Идентификация клеммы (какая клемма является затвором, истоком, стоком)
    Непрерывная номинальная мощность
    Типовая крутизна

    Примечание: следите за тем, чтобы ваши транзисторы находились в антистатической пене, насколько это возможно, чтобы избежать повреждения затвора электростатическим разрядом.

    Показать ответ

    Если возможно, найдите техническое описание производителя ваших компонентов (или хотя бы техническое описание аналогичного компонента), чтобы обсудить его с одноклассниками. Будьте готовы подтвердить обозначения выводов ваших транзисторов в классе с помощью мультиметра!

    Примечания:

    Цель этого вопроса — побудить учащихся к кинестетическому взаимодействию с предметом. Может показаться глупым предлагать учащимся выполнять упражнение «покажи и расскажи», но я обнаружил, что такие занятия очень помогают некоторым учащимся. Для тех учащихся, которые являются кинестетами по своей природе, очень полезно на самом деле коснуться реальных компонентов, пока они изучают их функцию. Конечно, этот вопрос также дает им прекрасную возможность попрактиковаться в интерпретации маркировки компонентов, использовании мультиметра, доступе к таблицам данных и т. д.

  • Силовые полупроводники. БТИЗ — Marketing Psycho

    БТИЗ или биполярный транзистор с изолированным затвором — это полностью управляемый силовой полупроводниковый переключатель с биполярной проводимостью и управлением MOSFET. Структура IGBT аналогична структуре DMOS-транзистора за одним существенным исключением. Вместо стокового контактного n-слоя в MOSFET здесь сформирован инжектирующий эмиттерный слой p-типа проводимости. В результате при работе прибора в проводящем состоянии (со сформированным каналом в структуре MOSFET) неравновесные избыточные дырки инжектируются из эмиттерного слоя в высокоомный дрейфовый слой, заряд которого компенсируется неравновесным избыточным электроны.

    Накопленная таким образом в дрейфовом слое избыточная электронно-дырочная квазиэлектронная нейтральная плазма снижает электрическое сопротивление слоя. Реализован так называемый биполярный механизм проводимости, характерный для биполярного p-n-p транзистора, который является составной частью образующейся полупроводниковой структуры (p-эмиттерный слой, n-дрейфовый слой (n-база), p-области вертикального MOSFET структура).

    Ток затвора этого биполярного транзистора передается через канал структуры MOSFET. Таким образом, во включенном состоянии реализуется функциональный гибрид биполярного и MOSFET транзисторов, при этом передача тока происходит как в биполярном транзисторе, а управление как в MOSFET. Работа прибора в выключенном состоянии соответствует работе биполярного p-n-p-транзистора с разрывом базовой цепи.

    Помимо биполярного p-n-p-транзистора, в структуре IGBT имеется также паразитный p-n-p-транзистор, образованный n- и p-областями структуры MOSFET и дрейфовым n-слоем. Вместе с p-n-p-транзистором они образуют паразитный тиристор. Переключение этого тиристора приводит, как правило, к необратимому разрушению конструкции. Необходимо принять конструктивные и технологические меры по шунтированию эмиттерного перехода паразитного транзистора.

    Система характеристик IGBT во многом близка к таковой для MOSFET. Вольт-амперная характеристика в закрытом состоянии соответствует вольт-амперной характеристике коллекторного p-n перехода IGBT с обратным смещением. Обычно характеризуется максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер В в.э. и ток утечки I в.э. , соответствующий этому напряжению. Условиями измерения этих характеристик являются некоторые заданные часто отрицательные незапирающие напряжения на затворе, I ce измерения обычно проводят для максимально допустимой температуры. Часто эти измерения проводят с короткозамкнутым затвором, тогда к обозначениям добавляют символ «s»: V ces , I ces .

    Вольт-амперная характеристика во включенном состоянии характеризуется значениями напряжения насыщения коллектор-эмиттер В cesat при заданном значении напряжения затвора и тока коллектора. Также часто вводятся характеристики линейной аппроксимации ВАХ: напряжение отсечки и динамическое сопротивление. Предельной характеристикой открытого состояния является максимально допустимый ток коллектора I c .

    Зависимость тока коллектора при постоянном напряжении коллектор-эмиттер от напряжения на затворе описывается переходной характеристикой IGBT. Семейство ВАХ дает наиболее полную картину, как в области рабочих токов, так и в области ограничения тока коллектора при различных напряжениях на затворе.

    Характеристики затвора обычно задаются как максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер V ge , соответствующее максимально допустимому току утечки затвор-эмиттер (I ge ). Дополнительно приводится значение порогового напряжения затвор-эмиттер для заданных значений тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер (V GE(th) ).

    Типовые значения емкостей затвор-эмиттер и затвор-коллектор. Емкость затвора структуры MOSFET из-за эффекта Миллера сильно зависит от напряжения затвор-эмиттер, особенно при переходе структуры из непроводящего в проводящее состояние и наоборот. Поэтому важна вольт-кулоновая характеристика затвора. Это зависимость заряда затвора Q г на напряжение затвор-эмиттер при заданных условиях в цепи коллектор-эмиттер ТГ. Зная эту зависимость, несложно рассчитать, какой заряд в цепи затвора потребуется для переключения устройства.

    Динамика включения характеризуется временем включения IGBT t на . Это интервал времени с момента подачи импульса напряжения на затвор до увеличения тока коллектора или уменьшения напряжения коллектор-эмиттер до заданного значения.

    Время включения делится на две фазы – время задержки t до и время нарастания t r . Граница между этими двумя составляющими времени включения определяется в начале резкого увеличения тока коллектора или начале падения напряжения коллектор-эмиттер вверх или вниз до заданных значений. Потери мощности в переходном процессе переключения характеризуются энергией переключения Е на – интегралом потерь мощности за время включения.

    Следует отметить, что процесс переключения IGBT очень быстрый, и часто его искусственно замедляют, вводя некоторое сопротивление в цепь затвора, замедляя процесс его перезарядки. При этом фаза нарастания увеличивается по продолжительности, а включенный IGBT ограничивает нарастание тока коллектора. Величина Е на в этом режиме значительно возрастает, однако мягкое переключение IGBT позволяет осуществить безопасное обратное восстановление обратного диода, работающего совместно с IGBT в автономных инверторах напряжения с мостовой схемой.

    Динамика выключения характеризуется временем выключения IGBT t off . Это интервал времени с момента, когда напряжение на затворе начинает уменьшаться, до момента, когда ток коллектора упадет до заданного значения. Время выключения делится на две фазы – время задержки t с и время спада тока коллектора t f . Граница между этими двумя составляющими времени выключения определяется началом спада коллекторного тока до заданного значения. Потери мощности в переходном процессе выключения характеризуются Е выкл. – интеграл потерь мощности за время выключения.

    Характеристики времени выключения приведены, как правило, для режима, имитирующего работу IGBT в мостовом инверторе напряжения с индуктивной нагрузкой, т. е. в наиболее сложном варианте схемы на выключение. Характеристикой зоны безопасной работы при коммутации является максимально допустимый импульсный ток коллектора I сМ , коммутация которого возможна при включении и выключении в описанных выше режимах.

    Узнайте больше о силовых полупроводниках в разделе  Мощные полупроводники  моего блога Marketing Psycho.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.