Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания БП является важным устройством в радиолюбительской практике наряду с паяльным оборудованием и измерительным (тестером). Схема блока питания (БП) на транзисторах, приведëнная на рисунке 1, является, по сути, модернизированной версией схемы, предложенной Борисовым В. в книге «Юный радиолюбитель» [1]. Она собой представляет двухполупериодный выпрямитель со стабилизатором и регулятором выпрямленного напряжения, с узлом защиты от короткого замыкания.

Трансформатор питания Tr1 обмоткой I подключается к электрической сети напряжением 220 В.Обмотка  II трансформатора  и диоды диодной сборки VD1 образуют двухполупериодный выпрямитель. К выпрямителю подключается электролитический конденсатор C1, частично сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения. С него выпрямленное напряжение подается к нагрузке R5 через стабилизатор напряжения, выполняющий роль фильтра питания. Ток в цепи, а значит, напряжение на нагрузке зависит от состояния транзистора VT2, включенного в эту цепь. Состоянием же этого транзистора управляет транзистор VT1, который в свою очередь управляется напряжением, подаваемым на его базу с движка переменного резистора R2. Управляющую цепь стабилизатора образуют резистор R1, стабилитрон VD2 и подключенный к нему переменный резистор R2. Благодаря стабилитрону и конденсатору С2 на переменном резисторе R2 действует постоянное напряжение, равное напряжению стабилизации Uст используемого в блоке стабилитрона. В описываемом блоке это напряжение равно 15 В. Когда движок переменного резистора находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, транзистор VT1 закрыт, так как напряжение на его базе (относительно эмиттера) равно нулю. Транзистор VD2 в это время тоже закрыт. По мере перемещения движка переменного резистора вверх на базу транзистора VT1 подается открывающее отрицательное напряжение и в его эмиттерной цепи появляется ток. Одновременно отрицательным напряжением, падающим на эмиттерном резисторе R3 транзистора VT1, открывается транзистор VT2, и во внешней цепи блока питания появляется ток. Чем больше отрицательное напряжение на базе транзистора VD1, тем больше открываются транзисторы, тем больше напряжение на выходе блока питания и ток в его нагрузке.

Наибольшее напряжение на выходе блока равно напряжению стабилизации стабилитрона. При изменении тока в нагрузке от нескольких миллиампер до 250 – 280 напряжение на нагрузке остается постоянным.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

 

Резистор R2 должен быть группы А, т. е. резистор, у которого сопротивление между выводом движка и любым из крайних выводов прямо пропорционально углу поворота оси. Важно, чтобы резистор был с выключателем. Это предохранит подключенное к выходу БП устройство от случайной подачи на него напряжения выше требуемого.  Коэффициент h31э транзисторов может быть небольшим – 15-20. Электролитические конденсаторы могут быть номиналом больше, указанного на схеме, что лучше скажется на сглаживании выпрямленного тока, с рабочим напряжением не менее 25 В. Стабилитрон – с напряжением стабилизации 15 В.

Роль трансформатора питания Tr1выполняет трансформатор ТПП-252-50 [2]. В трансформаторах ТПП252 возможно последовательное и параллельное согласное соединение вторичных обмоток. Последовательное включение различных вторичных обмоток позволяет подобрать необходимое выходное напряжение, параллельное — повысить мощность на выходных обмотках. При последовательном включении обмоток с разными допустимыми токами ток через обмотки не должен превышать минимально допустимого. Параллельное соединение допускается только для тех обмоток, напряжение на зажимах которых одинаковы. В нашем случае все обмотки соединены последовательно и объединены в одну обмотку с выводом от средины. Напряжение обоих половин обмотки должно быть одинаковым. Допустимый ток в таком подключении вторичных обмоток трансформатора будет равным – 1,94 А. Выпрямленное напряжение составит 16 В. Наибольший прямой ток диодов сборки S20420C – 20А, а  транзистора КТ819Г – 15 А. Наибольший ток, потребляемый нагрузкой на выходе БП равно току вторичной обмотки трансформатора.  Схема позволяет использовать трансформатор  и большей мощности, исходя из характеристик выпрямительных диодов и транзистора VT2.

Монтируя детали БП, особое внимание уделяют правильной полярности включения диодов, электрических конденсаторов и выводов транзисторов. Закончив монтаж, проверяют по схеме на отсутствие ошибок. После этого устройство подключают к сети. В положении движка переменного резистора R2 в крайнем верхнем (по схеме) положении оно должно соответствовать номинальному напряжению стабилитрона (в нашем случае 15 В) и плавно уменьшаться до нуля при вращении оси переменного резистора против направления движения часовой стрелки. Если, наоборот, при таком вращении оси резистора напряжение увеличивается, то меняют местами проводники, идущие к крайним выводам этого регулятора выходного напряжения БП.

Затем в разрыв цепи стабилитрона, отмеченный на схеме крестиком, включают миллиамперметр и, подбирая резистор R1, устанавливают в этой цепи ток, равный 12 – 15 мA. При подключении к выходу выпрямителя нагрузки (резистор 100 – 200 Ом) ток через стабилитрон должен уменьшаться до 8 – 10 мA, а выходное напряжение оставаться практически неизменным.

В стабилизаторе БП работают транзисторы, а они не выдерживают перегрузок. Наиболее опасно короткое замыкание между выходными зажимами или токонесущими проводниками конструкции, подключенной к блоку. Поэтому, схему целесообразно дополнить узлом защиты на VT3, R4, C3 (на схеме выделено красным цветом).

Элементы монтируют на печатной плате размерами 70Х35 мм – рис. 2. Транзистор VT2 и диодную сборку S20C40C крепят к плате, подставив под них алюминиевый уголок, который соединяют с металлической частью корпуса БП для отвода тепла. Транзистор КТ819Г и диодную сборку S20C49C изолируют с помощью слюдяных прокладок.

а)

 

б)

 

в)

Рис. 2. Печатная плата блока питания: а – топология проводников;  б – расположение элементов;  в – плата в собранном виде

 

Возможная конструкция блока питания показана на рис. 3.

Рис. 3. Лабораторный блок питания

Печатную плату в расширении .lay можно скачать здесь

Литература

1.Борисов В. Юный радиолюбитель. – М. «Энергия», 1979 г.

2.https://www.radiolibrary.ru/reference/transformers-tpp/tpp252.html

Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина

БП НА ТРАНЗИСТОРАХ С РЕГУЛИРОВКОЙ

Схема этого блока питания очень простая и интересная, но имеет свои тонкости в настройке. Поэтому многие её повторяют и натыкаясь на грабли пишут, что схема плохая или просто забрасывают её. Мне же она очень понравилась как для БП простого и надёжного для начинающих. До полноценного лабораторного она конечно не дотягивает, но это уже уровень выше. Если хотите собирать БП с точной регулировкой тока и напряжения, плюс хорошая стабильность выхода, то только на микросхемах.

В общем очень понравился гибрид параметрического и компенсационного стабилизатора напряжения. Благодаря этому в данной схеме можно применить практически любые стабилитроны, без подбора, примерно на 8-24 В, и подбором делителя на выходе подобрать выходное напряжение.

Сначала спаял на макетной плате. Стабилизация напряжения желала лучшего. Защита от КЗ вообще не работала. Спалил пару диодов, стабилитронов, но хоть ни одного силового транзистора.

Решил всё же разобраться. Промоделировал в Мультисиме. Разобрался что к чему и затем реализовал в железе — всё прекрасно работает. Схема оказалась вполне стоящая.

Самое важное в ней это узел защиты от КЗ на двух диодах, о которую все спотыкаются. Здесь надо правильно подобрать диоды защиты. Диод, который идёт на базу транзистора, должен имень меньшее падение напряжение на нём. Проверяется элементарно цифровым прибором в режиме прозвонки. Я выяснил, что оптимально установить германиевый типа Д9. А второй кремниевый, типа КД522.

Для улучшения стабилизации выходного напряжения нужно стабилизировать узел опорного напряжения или применить ГСТ (генератор стабильного тока), или использовать TL431. Исходил из имеющихся в наличии радиодеталей и простоты схемы.

Сделал ГСТ на двух КТ315. Самый простой вариант. Регулировку по току или узел ограничения по току пока не стал делать. Для этого блока это не даст качественной и точной настройки ограничения по току, но усложнит схему. Поэтому оставил только узел полной защиты от КЗ. Он точно нужен, особенно для начинающих или для гаража, где коротнут раз десять за день. Плата получилась маленькая и компактная.

Ещё одной особенностью схемы является Uмин на уровне 1-2 В (из-за диодов защиты). Можно подбором диодов добиться Uмин 0,7-0,8 В, но думаю для очень простого БП этого вполне хватит.

При КЗ силовой транзистор надёжно закрывается и на выходе 0 В и почти 0 мА, где то на уровне 20-200 мкА. В таком состоянии схема может находится бесконечно долго, а после устранения КЗ всё возвращается в нормальное состояние. Иногда нужно лишь кратковременно отключить нагрузку (это тоже особенность этой схемы, иногда с подключенной нагрузкой не запускается).

Резисторы R2 и R6 являются частью узла стабилизации совместно со стабилитроном. Они образуют делитель напряжения для установки максимального выходного напряжения. Оно будет равно примерно (Uст+Uled) + (Uст+Uled) х (R2/R6) – (UкэQ1+ UкэQ3). (13+2) + (13+2) х (5,1/4,7) — (1,3+0,65) = 29,33 В. Это приблизительный расчёт.

Я рассчитывал делитель на Uвых = 32 В при Uст = 15 В. Резисторы R2 = 5K6 и R6 = 4K3. От суммарного сопротивления этих резисторов зависит и ток холостого хода (без нагрузки) и выделяемая на них мощность. При Uвых = 32 В и R2 = 5K6 и R6 = 4K3 на них выделяется мощность 61 mW и 47 mW соответственно. Можно применять резисторы 0,25 Вт (1/4W) или даже 0,125 Вт (1/8W).

При делителе 390/390 Uвых будет Uст*2 — 2Uкэ, то есть примерно в два раза больше напряжения стабилизации стабилитрона Uвых = 5 х 2 — 2 х 0,65 = 28,65 В. Ток через делитель будет порядка Iд = 36 мА и выделяемая мощность на этих резисторах будет порядка 515 mW. То есть нужно применять резисторы мощностью 1 Вт

Вывод: подбором резисторов делителя можно подбирать Uвых.макс, для уменьшения нагрева нужно их выбирать в килоОмах.

Вот скриншоты для примера:

Сила тока должна оставаться на уровне установленного, но она тоже будет плавать. На счёт защиты при КЗ. Всё зависит от мощности питающего трансформатора, ёмкости фильтрующего конденсатора и силового транзистора. При напряжении 20 В и токе 3 А при замыкании на силовом транзисторе будет мгновенно 60 Вт выделяемой мощности плюс кратковременный бросок (импульс) тока с фильтрующего конденсатора (20 х 1,41 х 3 = 84,6 Вт), а это для большинства транзисторов китайских полный тепловой или токовый пробой. Даже наши советские типа КТ803, КТ805, КТ809 и так далее, через 10-20 секунд пробьются. А может и быстрее…

Для линейной схемы напряжением до 24-28 В, лучше брать ток не более 1,5-2 А, дабы не рисковать сжечь транзисторы. Вот как вариант:

Ограничение тока будет на уровне 3-х ампер. А полная мощность будет равна мощности потребляемой нагрузкой плюс остальное будет в виде тепловых потерь выделяться на силовом транзисторе. При КЗ вся мощность, которую сможет выдать трансформатор, выделится в виде тепла на силовом транзисторе. Автор материала TohaT.

   Форум по блоку питания

   Форум по обсуждению материала БП НА ТРАНЗИСТОРАХ С РЕГУЛИРОВКОЙ

Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания (ЛБП), представленный в этой статье, имеет простую, но в то же время надежную и хорошо повторяемую схему. В качестве основных компонентов устройства используются биполярные транзисторы. ЛБП может служить для: тестирования силовых транзисторов, питания светодиодов (LED-панелей), зарядки различных типов аккумуляторов, питания электронных устройств напряжением 0–40В и током до 2,5А.

В качестве защиты от короткого замыкания лабораторного блока питания используется стабилизация выходного тока. Порог максимального тока можно установить с помощью подстроечного резистора в пределе 0,5–2,5А. Регулировка тока нагрузки в процессе эксплуатации выполняется от нуля до установленного порога с помощью переменного резистора.

Верхний предел выходного напряжения также может быть установлен с помощью подстроечного резистора в диапазоне 10–40В. Регулировка выходного напряжения в процессе эксплуатации осуществляется переменным резистором от нуля до установленного порога.

Схема лабораторного блока питания на транзисторах

Схема ЛБП надежная и имеет хорошую повторяемость, взята она из журнала Elektor Electronics №4 1999 года. Оригинал этой статьи можно скачать в формате PDF, ссылка под данной статьей.

На схеме присутствует только блок самого стабилизатора. Отсутствие выпрямителя обусловлено неопределенностью номиналов компонентов исходя из конкретных параметров лабораторного блока питания.

Транзисторы T5 и T6 образуют дифференциальный усилитель, который сравнивает часть опорного напряжения с напряжением на выходе ЛБП. Опорное напряжение образует параметрический стабилизатор R7D2D3. Часть его отбирается переменным резистором P1. Выходное значение напряжения берется с делителя P4R5.

Когда Uвых ЛБП возрастает, то и на делителе P4R5 падение напряжения увеличивается. Когда значение на делителе станет больше чем установленное потенциометром P1, то транзистор T5 прикроется больше чем T6 и на резисторе R2 падение увеличится. Вследствие чего транзистор T4 откроется и подтянет базу T3 к общему проводу (Gnd). Транзисторы T3, T4 и силовой регулирующий транзистор T1 прикроются, уменьшив выходное напряжение лабораторного блока питания, до тех пор, пока значения на базах (T5 и T6) дифференциального усилителя не станут равными.

Транзистор T7 отвечает за стабилизацию тока. Его датчиком является резистор R4, через который протекает весть ток нагрузки. При возрастании тока на датчике R4, а, следовательно, и на цепи P3R6P2 падение напряжения также повысится. Это падение через токоограничивающий резистор R8 попадает на базу T7. При достижении определенного значения транзистор T7 открывается и подтягивает базу T3 через резистор R2 к общему проводу (Gnd) и на выходе эмиттерного повторителя напряжение начнет снижаться. Так работает стабилизация тока.

Максимальный (предельно возможный) ток ЛБП устанавливается подстроечным резистором P3. При P3=0, максимальный выходной ток составит 2,5А, а при P3=250кОм максимальное значение составит 500мА.

Регулировка тока нагрузки ЛБП выполняется вращением движка потенциометра P2.

Максимальное (предельное) напряжение на выходе ЛБП устанавливается подстроечным резистором P4. При P4=0 максимальное Uout=10В, а при P4=25кОм Uout=40В.

Регулировка выходного напряжения осуществляется потенциометром P1.

Компоненты схемы

В качестве подстроечных резисторов P3 и P4 лучше применить многооборотные компоненты типа «3296W». Причем, номиналы 250кОм и 25кОм я не нашел и вместо них поставил 200кОм и 20кОм.

Резистор R7 должен быть мощностью 0,5Вт. Шунт R4 лучше поставить мощностью 5Вт (греется здорово).

В качестве стабилитрона D2 я установил BZX55C 2V4, а в качестве стабилитрона D3 я установил 1N4740A.

Силовой транзистор 2N3055 можно заменить на более мощный NPN транзистор, например TIP35C, 2SC5200 или другой им подобный, но напрямую в плату их устанавливать нельзя, цоколевка не подходит, необходимо редактировать печатную плату, поэтому устанавливаем на проводах.

Транзисторы BC547/BC557 меняются на BC546/BC556.

Транзисторы дифференциального каскада (T5 и T6) желательно подобрать по коэффициенту передачи тока (h31э).

Печатная плата лабораторного блока питания

Печатную плату ЛБП я разводил под свои нужды и размеры компонентов, ссылка на нее под статьей. При желании вы можете ее откорректировать под свои требования.

Размер печатной платы 84×65 мм. На ней есть подписи порядковых номеров компонентов и их значения.

Обратите внимание на номера выводов переменных резисторов P1 и P2 (P2 относительно P1 развернут на угол 180⁰). У меня они устанавливаются на шлейфах, поэтому проблем с этим нет.

Потенциометры не рекомендую устанавливать через разъемы, показанные ниже на фото. При потере их контакта, может произойти скачок выходного напряжения или не работать стабилизация по току, что приведет к выходу из строя T1.

Рядом с выходом на печатной плате ЛБП имеются ножевые клеммы с надписями «black», «yellow» и «red» для подключения китайского вольтамперметра. Если вы не применяете такой вольтамперметр, то просто впаиваем перемычки между клеммами  «black» и «red».

А вообще, я не советую применять 4-разрядные китайские вольтамперметры, похожие на мой, так как у них малая частота обновления показаний. Очень неудобно им пользоваться и устанавливать необходимое значение.

Транзистор T1 соединяется с печатной платой с помощью проводов, в соответствии с цоколевкой на 2N3055.

Выпрямитель лабораторного блока питания

На схеме выпрямитель отсутствует. Автор схемы предусматривает его расчет индивидуально, под необходимые параметры.

Диодный мост я установил с токовым запасом. Мост KBU610 рассчитан на 6А 1000В, а также на его корпусе есть отверстие для крепления теплоотвода. Также подойдет и любой другой диодный мост на 4А и мощнее. При выборе рекомендую взять запас, цена от этого возрастет незначительно.

Емкость фильтра выпрямителя для лабораторного блока питания также рассчитывается индивидуально, исходя из требований пульсаций и параметров трансформатора. На моей печатной плате имеются два посадочных места под электролитические конденсаторы 3300мкФ 50В. Можно обойтись и грубым расчетом – 1000мкФ на каждый 1А.

Трансформатор, примененный мною, имеет две обмотки по 25В, и каждая обмотка рассчитана на 1,8А. Эти обмотки я соединил параллельно (соблюдая фазировку).

Вообще ток обмотки должен быть рассчитан на превышение тока нагрузки в √2 раз, то есть для нагрузки 2А обмотка должна быть рассчитана на 2,8А.

Не стоит забывать и про выпрямленное напряжение, которое после выпрямления, на холостом ходу, на конденсаторе фильтра будет иметь значение в  √2 раз больше. То есть, для трансформатора напряжением 25В после выпрямления на емкости фильтра (C4 и C5) получится примерно 35В постоянного тока.

Внимание! Для данного лабораторного блока питания я настоятельно рекомендую не применять трансформатор с напряжением вторичной обмотки более 27В. Это обусловлено напряжением перехода коллектор-эмиттер транзисторов BC547/BC557 (оно составляет 45В) и другими предельными параметрами примененных компонентов.

Охлаждение лабораторного блока питания

Самым горячим элементом лабораторного блока питания является регулирующий силовой транзистор T1. Тепло, рассеиваемое на нем пропорционально разнице между входным и выходным значениями напряжения. Транзистор 2N3055 способен рассеять максимум 115Вт.

Таким образом, если на входе стабилизатора 37В, а на выходе мы установим значение 3В, то при токе 2,5А на транзисторе рассеивается примерно (не учитывая падение на шунте R4):

P=(37В-3В)×2,5А=85Вт.

Это рядом с максимумом, учитывая, что транзистор T1 будет работать в линейном режиме и отвести от него такое количество тепла будет очень сложно. Выходом будет применение радиатора с вентилятором от ПК или применение радиатора с достаточно большой площадью поверхности (читать ниже).

При эксплуатации лабораторного блока питания с нагрузкой 1,5А – 2,5А на диодный мост можно установить небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки.

Если представить максимально тяжелый режим и на выходе лабораторного блока питания будет короткое замыкание, то в этом случае на транзисторе T1 упадет практически все напряжение (без учета падения на R4), пусть это падение будет равно 35В (берем по максимуму). При этом максимальный ток будет равен 2,5А. Мощность, рассеиваемая на транзисторе T1, будет примерно равна 80-90 Вт. Для такой мощности необходим радиатор  с площадью поверхности 1500 – 2000 см².

Запуск и налаживание лабораторного блока питания

1. Проверить все номиналы компонентов по схеме (и печатной плате) ЛБП.
2. Смыть все остатки флюса и других вспомогательных веществ.
3. Подключить трансформатор к клеммам «AC». Лабораторный блок должен быть не нагружен – режим холостого хода.
4. Ручки переменных резисторов P1 и P2 до упора повернуть по часовой стрелке (на максимум).
5. К выходу ЛБП подключить вольтметр постоянного тока, выбрав необходимый диапазон измерения.
6. Включить в сеть трансформатор и по вольтметру убедиться в присутствии напряжения на выходе лабораторного блока питания.
7. Плавно вращая движок подстроечного резистора P4 установить необходимое максимальное значение. Это будет верхний предел выходного напряжения блока питания. Я установил значение 30В.
8. Нагрузить ЛБП постоянным резистором или электронной нагрузкой так, чтобы максимально возможный ток нагрузки не превышал 500мА. Я нагрузил ЛБП резистором 60 Ом 5Вт (ставим 60-100Ом) и поместил его в ванночку с водой. Путем вращения движка подстроечного резистора P3 выставить ток 200 мА (предварительно подключить амперметр постоянного тока в разрыв нагрузки). Прогнать ЛБП на этой нагрузке в течение 10-20 минут. Понаблюдать за нагревом. Напряжение при стабилизации тока просядет до нескольких вольт, это нормально.
9. Снять нагрузку. Кратковременно замкнуть выход лабораторного блока питания перемычкой. Убедившись, что ЛБП держит короткое замыкание (КЗ), при этом, ток нагрузки остается примерно равный ранее выставленному пределу (200 мА).
10. Замыкаем выход резистором сопротивлением 4-15 Ом и плавно вращая, против часовой стрелки, движок P3 устанавливаем предельно максимальный ток ЛБП. Исходя из малых габаритов своего теплоотвода, я обошелся значением 1А. Если соблюдать все номиналы схемы, то максимум можно выставить 2,5А.
11. Опять снимаем нагрузку и снова устраиваем режим короткого замыкания, убеждаясь, что лабораторный блок его успешно терпит.

 

Пункты 8 и 9 рекомендую обязательно выполнять. Если не сработает схема стабилизации тока, и вы замкнете выход или нагрузите ЛБП больше чем положено, то моментально выйдет из строя силовой транзистор.

Печатная плата лабораторного блока питания на транзисторах СКАЧАТЬ

Оригинальная статья Elektor Electronics №4 1999 СКАЧАТЬ

Простой лабораторный блок питания — Блоки питания — Источники питания

Сергей Никитин

Описанием этого простого лабораторного блока питания, я открываю цикл статей, в которых познакомлю Вас с простыми и надёжными в работе разработками (в основном различных источников питания и зарядных устройств), которые приходилось собирать по мере необходимости из подручных средств.

Для всех этих конструкций в основном использовались детали и части от списанной с эксплуатации старой оргтехники.

И так, понадобился как-то срочно блок питания с регулировкой выходного напряжения в пределах 30-40 вольт и током нагрузки в районе 5-ти ампер.

В наличии имелся трансформатор от бесперебойника UPS-500, в котором при соединении вторичных обмоток последовательно, получалось около 30-33 Вольт переменного напряжения. Это меня как раз устраивало, но осталось решить, по какой схеме собирать блок питания.

Если делать блок питания по классической схеме, то вся лишняя мощность при низком выходном напряжении будет выделяться на регулирующем транзисторе. Это мне не подходило, да и делать блок питания по предлагаемым схемам как то не захотелось, и ещё нужно было-бы для него искать детали.
По этому разработал схему под те детали, какие на данный момент у меня были в наличии.

За основу схемы взял ключевой стабилизатор, чтобы на греть в пустую окружающее пространство выделяемой мощностью на регулирующем транзисторе.
Здесь нет ШИМ-регулирования и частота включения ключевого транзистора, зависит только от тока нагрузки. Без нагрузки частота включения в районе одного герца и менее, зависит от индуктивности дросселя и ёмкости конденсатора С5. Включение слышно по небольшому циканию дросселя.

Транзисторы MJ15004 были в огромном количестве от ранее разобранных бесперебойников, поэтому решил поставить их на выходные. Для надёжности поставил два в параллель, хотя и один вполне справляется со своей задачей.
Вместо них можно поставить любые мощные p-n-p транзисторы, например КТ-818, КТ-825.

Дроссель L1 можно намотать на обычном Ш-образном (ШЛ) магнитопроводе, его индуктивность особо не критична, но желательно, чтобы подходила ближе к нескольким миллигенри.
Берётся любой подходящий сердечник, Ш, ШЛ, с сечением желательно не меньше 3 см,. Вполне подойдут сердечники от выходных транформаторов ламповых приёмников, телевизоров, выходные трансформаторы кадровых развёрток телевизоров и т.д. Например стандартный размер Ш, ШЛ-16х24.

Далее берётся медный провод, диаметром 1,0 — 1,5 мм и мотается до заполнения окна сердечника полностью.
У меня дроссель намотан на железе от трансформатора ТВК-90, проводом 1,5 мм до заполнения окна.
Магнитопровод, конечно собираем с зазором 0,2-0,5мм.(2 — 5 слоёв обычной писчей бумаги).

Единственный минус этого блока питания, под большой нагрузкой дроссель у меня жужжит, и этот звук меняется от величины нагрузки, что слышно и немного достаёт. Поэтому наверно нужно дроссель хорошо пропитывать, а может ещё лучше — залить полностью в каком нибудь подходящем корпусе эпоксидкой, чтобы уменьшить звук «цикания» .

Транзисторы я установил на небольшие алюминиевые пластины, и на всякий случай поставил внутрь ещё и вентилятор для их обдува.

Вместо VD1 можно ставить любые быстрые диоды на соответствующее напряжение и ток, у меня просто в наличии много диодов КД213, поэтому я их в таких местах в основном везде и ставлю. Они достаточно мощные (10А) и напряжение 100В, что вполне достаточно.

На мой дизайн блока питания особо внимание не останавливайте, задача стояла не та. Нужно было сделать быстро, и работоспособно. Сделал временно в таком корпусе и в таком оформлении, и пока это «временно» уже довольно долго работает.

Можно в схему ещё добавить амперметр для удобства. Но это дело личное. Я поставил одну головку для измерения напряжения и тока, шунт для амперметра сделал из толстого монтажного провода (на фотографиях видно, намотан на проволочном резисторе) и поставил переключатель «Напряжение» — «Ток». На схеме это просто не показал.

 

Блок питания на транзисторе п210. Блок питания на стабилитроне и транзисторе. Транзисторы П210 — германиевые, мощные низкочастотные, структуры

Рассмотренный далее стабилизированный блок питания является одним из первых устройств, которые собираются начинающими радиолюбителями. Это очень простой, но весьма полезный прибор. Для его сборки не нужны дорогостоящие компоненты, которые достаточно легко подобрать новичку в зависимости от требуемых характеристик блока питания.

Материал будет также полезен тем, кто желает более детально разобраться в назначении и расчете простейших радиодеталей. В том числе, вы подробно узнаете о таких компонентах блока питания, как:

• силовой трансформатор;
• диодный мост;
• сглаживающий конденсатор;
• стабилитрон;
• резистор для стабилитрона;
• транзистор;
• нагрузочный резистор;
• светодиод и резистор для него.

Также в статье детально рассказано, как подобрать радиодетали для своего блока питания и что делать, если нет нужного номинала. Наглядно будет показана разработка печатной платы и раскрыты нюансы этой операции. Несколько слов сказано конкретно о проверке радиодеталей перед пайкой, а также о сборке устройства и его тестировании.

Типовая схема стабилизированного блока питания

Всевозможных схем блоков питания со стабилизацией напряжения существует сегодня очень много. Но одна из самых простых конфигураций, с которой и стоит начинать новичку, построена всего на двух ключевых компонентах – стабилитроне и мощном транзисторе. Естественно, в схеме присутствуют и другие детали, но они вспомогательные.

Схемы в радиоэлектронике принято разбирать в том направлении, в котором по ним протекает ток. В блоке питания со стабилизацией напряжения все начинается с трансформатора (TR1). Он выполняет сразу несколько функций. Во-первых, трансформатор понижает сетевое напряжение. Во-вторых, обеспечивает работу схемы. В-третьих, питает то устройство, которое подключено к блоку.
Диодный мост (BR1) – предназначен для выпрямления пониженного сетевого напряжения. Если говорить другими словами, то в него заходит переменное напряжение, а на выходе получается уже постоянное. Без диодного моста не будет работать ни сам блок питания, ни устройства, которые будут к нему подключаться.
Сглаживающий электролитический конденсатор (C1) нужен для того, чтобы убирать пульсации, присутствующие в бытовой сети. На практике они создают помехи, которые отрицательно сказываются на работе электроприборов. Если для примера взять усилитель звука, запитанный от блока питания без сглаживающего конденсатора, то эти самые пульсации будут отчетливо слышны в колонках в виде постороннего шума. В других приборах помехи могут привести к некорректной работе, сбоям и прочим проблемам.
Стабилитрон (D1) – это компонент блока питания, который стабилизирует уровень напряжения. Дело в том, что трансформатор будет выдавать желаемые 12 В (например) только тогда, когда в сетевой розетке будет ровно 230 В. Однако на практике таких условий не бывает. Напряжение может как просаживаться, так и повышаться. То же самое трансформатор будет давать и на выходе. Благодаря своим свойствам стабилитрон выравнивает пониженное напряжение независимо от скачков в сети. Для корректной работы этого компонента нужен токоограничивающий резистор (R1). О нем более детально сказано ниже.
Транзистор (Q1) – нужен для усиления тока. Дело в том, что стабилитрон не способен пропускать через себя весь потребляемый прибором ток. Более того, корректно он будет работать только в определенном диапазоне, например, от 5 до 20 мА. Для питания каких-либо приборов этого откровенно мало. С данной проблемой и справляется мощный транзистор, открывание и закрывание которого управляется стабилитроном.
Сглаживающий конденсатор (C2) – предназначен для того же, что и вышеописанный C1. В типовых схемах стабилизированных блоков питания присутствует также нагрузочный резистор (R2). Он нужен для того, чтобы схема сохраняла работоспособность тогда, когда к выходным клеммам ничего не подключено.
В подобных схемах могут присутствовать и другие компоненты. Это и предохранитель, который ставится перед трансформатором, и светодиод, сигнализирующий о включении блока, и дополнительные сглаживающие конденсаторы, и еще один усиливающий транзистор, и выключатель. Все они усложняют схему, однако, повышают функциональность устройства.

Расчет и подбор радиокомпонентов для простейшего блока питания

Трансформатор подбирается по двум основным критериям – напряжению вторичной обмотки и по мощности. Есть и другие параметры, но в рамках материала они не особо важны. Если вам нужен блок питания, скажем, на 12 В, то трансформатор нужно подбирать такой, чтобы с его вторичной обмотки можно было снять чуть больше. С мощностью все то же самое – берем с небольшим запасом.
Основной параметр диодного моста – это максимальный ток, который он способен пропускать. На эту характеристику и стоит ориентироваться в первую очередь. Рассмотрим примеры. Блок будет использоваться для питания прибора, потребляющего ток 1 А. Это значит, что диодный мост нужно брать примерно на 1,5 А. Допустим, вы планируете питать какой-либо 12-вольтовый прибор мощностью 30 Вт. Это значит, что потребляемый ток будет около 2,5 А. Соответственно, диодный мост должен быть, как минимум, на 3 А. Другими его характеристиками (максимальное напряжение и прочее) в рамках такой простой схемы можно пренебрегать.

Дополнительно стоит сказать, что диодный мост можно не брать уже готовый, а собрать его из четырех диодов. В таком случае каждый из них должен быть рассчитан на ток, проходящий по схеме.
Для расчета емкости сглаживающего конденсатора применяются достаточно сложные формулы, которые в данном случае ни к чему. Обычно берется емкость 1000-2200 мкФ, и этого для простого блока питания будет вполне достаточно. Можно взять конденсатор и побольше, но это существенно удорожит изделие. Другой важный параметр – максимальное напряжение. По нему конденсатор подбирается в зависимости от того, какое напряжение будет присутствовать в схеме.
Здесь стоит учитывать, что на отрезке между диодным мостом и стабилитроном после включения сглаживающего конденсатора напряжение будет примерно на 30% выше, чем на выводах трансформатора. То есть, если вы делаете блок питания на 12 В, а трансформатор выдает с запасом 15 В, то на данном участке из-за работы сглаживающего конденсатора будет примерно 19,5 В. Соответственно, он должен быть рассчитан на это напряжение (ближайший стандартный номинал 25 В).
Второй сглаживающий конденсатор в схеме (C2) обычно берется небольшой емкости – от 100 до 470 мкФ. Напряжение на этом участке схемы будет уже стабилизированным, например, до уровня 12 В. Соответственно, конденсатор должен быть рассчитан на это (ближайший стандартный номинал 16 В).
А что делать, если конденсаторов нужных номиналов нет в наличии, и в магазин идти неохота (или банально нет желания их покупать)? В таком случае вполне возможно воспользоваться параллельным подключением нескольких конденсаторов меньшей емкости. При этом стоит учесть, что максимальное рабочее напряжение при таком подсоединении суммироваться не будет!
Стабилитрон подбирается в зависимости от того, какое напряжение нам нужно получить на выходе блока питания. Если подходящего номинала нет, то можно соединить несколько штук последовательно. Стабилизируемое напряжение, при этом, будет суммироваться. Для примера возьмем ситуацию, когда нам надо получить 12 В, а в наличии есть только два стабилитрона на 6 В. Соединив их последовательно мы и получим желаемое напряжение. Стоит отметить, что для получения усредненного номинала параллельное подключение двух стабилитронов не сработает.
Максимально точно подобрать токоограничивающий резистор для стабилитрона можно только экспериментально. Для этого в уже рабочую схему (например, на макетной плате) включается резистор номиналом примерно 1 кОм, а между ним и стабилитроном в разрыв цепи ставится амперметр и переменный резистор. После включения схемы нужно вращать ручку переменного резистора до тех пор, пока через участок цепи не потечет требуемый номинальный ток стабилизации (указывается в характеристиках стабилитрона).
Усиливающий транзистор подбирается по двум основным критериям. Во-первых, для рассматриваемой схемы он обязательно должен быть n-p-n структуры. Во-вторых, в характеристиках имеющегося транзистора нужно посмотреть на максимальный ток коллектора. Он должен быть немного больше, чем максимальный ток, на который будет рассчитан собираемый блок питания.
Нагрузочный резистор в типовых схемах берется номиналом от 1 кОм до 10 кОм. Меньшее сопротивление брать не стоит, так как в случае, когда блок питания не будет нагружен, через этот резистор потечет слишком большой ток, и он сгорит.

Разработка и изготовление печатной платы

Теперь вкратце рассмотрим наглядный пример разработки и сборки стабилизированного блока питания своими руками. В первую очередь, необходимо найти все присутствующие в схеме компоненты. Если нет конденсаторов, резисторов или стабилитронов нужных номиналов – выходим из ситуации вышеописанными путями.

Далее нужно будет спроектировать и изготовить печатную плату для нашего прибора. Начинающим лучше всего использовать для этого простое и, самое главное, бесплатное программное обеспечение, например, Sprint Layout.
Размещаем на виртуальной плате все компоненты согласно выбранной схемы. Оптимизируем их расположение, корректируем в зависимости от того, какие конкретно детали есть в наличии. На этом этапе рекомендуется перепроверять реальные размеры компонентов и сравнивать их с добавляемыми в разрабатываемую схему. Особое внимание обратите на полярность электролитических конденсаторов, расположение выводов транзистора, стабилитрона и диодного моста.
Если вы заходите добавить в блок питания сигнальный светодиод, то его можно будет включить в схему как до стабилитрона, так и после (предпочтительнее). Чтобы подобрать для него токоограничивающий резистор, необходимо выполнить следующий расчет. Из напряжения участка цепи вычитаем падение напряжения на светодиоде и делим результат на номинальный ток его питания. Пример. На участке, к которому мы планируем подключать сигнальный светодиод, имеется стабилизированные 12 В. Падение напряжения у стандартных светодиодов около 3 В, а номинальный ток питания 20 мА (0,02 А). Получаем, что сопротивление токоограничивающего резистора R=450 Ом.

Проверка компонентов и сборка блока питания

После разработки платы в программе переносим ее на стеклотекстолит, травим, лудим дорожки и удаляем излишки флюса.
Резисторы проверяются омметром. Стабилитрон должен «звониться» только в одном направлении. Диодный мост проверяем по схеме. Встроенные в него диоды должны проводить ток только в одном направлении. Для проверки конденсаторов потребуется специальный прибор для измерения электрической емкости. В транзисторе n-p-n структуры ток должен протекать от базы к эмиттеру и к коллектору. В остальных направлениях он протекать не должен.
Начинать сборку лучше всего с мелких деталей – резисторов, стабилитрона, светодиода. Затем впаиваются конденсаторы, диодный мост.
Особое внимание обращайте на процесс установки мощного транзистора. Если перепутать его выводы – схема не заработает. Кроме того, этот компонент будет достаточно сильно греется под нагрузкой, потому его необходимо устанавливать на радиатор.
Последним устанавливается самая большая деталь – трансформатор. Далее к выводам его первичной обмотки припаивается сетевая вилка с проводом. На выходе блока питания тоже предусматриваются провода.

Осталось только хорошенько перепроверить правильность установки всех компонентов, смыть остатки флюса и включить блок питания в сеть. Если все сделано правильно, то светодиод будет светиться, а на выходе мультиметр покажет желаемое напряжение.

Типичные ошибки при конструировании германиевых усилителей, происходят из за желания, получить от усилителя широкую полосу пропускания, малые искажения и т.д.
Привожу схему моего первого германиевого усилителя, спроектированного мной в 2000г.
Хотя схема вполне работоспособна, её звуковые качества оставляют желать лучшего.

Практика показала, что применение дифференциальных каскадов, генераторов тока, каскадов с динамической нагрузкой, токовых зеркал и других ухищрений с ООС не всегда приводят к желаемому результату, а иногда просто ведут в тупик.
Наилучшие практические результаты для получения высокого качества звучания, дает применение однотактных каскадов пред. усиления и использование меж-каскадных согласующих трансформаторов.
Вашему вниманию представлен германиевый усилитель с выходной мощностью 60 Вт, на нагрузке 8 Ом. Выходные транзисторы используемые в усилителе П210А, П210Ш. Линейность 20-16000гц.
Субъективной нехватки высоких частот практически не ощущается.
При нагрузке 4ом усилитель выдает 100вт.

Схема усилителя на транзисторах П-210.

Усилитель питается от не стабилизированного, блока питания с выходным, двух-полярным напряжением +40 и -40 вольт.
На каждый канал, применяется отдельный мост из диодов Д305, которые устанавливаются на небольшие радиаторы.
Конденсаторы фильтра, желательно применять не менее 10000мк в плечо.
Данные силового трансформатора:
-железо 40 на 80. Первичная обмотка содержит 410 вит. провода 0,68. Вторичная по 59 вит. провода 1,25, намотанных четыре раза (две обмотки — верхнее и нижнее плечо одного канала усилителя, оставшиеся две — второго канала)
.Дополнительно по силовому трансформатору:
железо ш 40 на 80 от блока питания телевизора КВН. После первичной обмотки устанавливается экран из медной фольги. Один незамкнутый виток. К нему припаивается вывод который затем заземляется.
Можно использовать любое, подходящее по сечению ш железо.
Согласующий трансформатор выполнен на железе Ш20 на 40.
Первичная обмотка разделена на две части и содержит 480 вит.
Вторичная обмотка содержит 72 витка и мотается в два провода одновременно.
Сначала наматывается 240 вит первичкм, затем вторичка, затем снова 240 вит первички.
Диаметр провода первички 0,355 мм, вторички 0,63 мм.
Трансформатор собирается в стык, зазор — прокладка из кабельной бумаги примерно 0,25 мм.
Резистор 120 Ом включен для гарантированного отсутствия самовозбуждения при отключенной нагрузке.
Цепочки 250 Ом +2 по 4.7 Ом, служат для подачи начального смещения на базы выходных транзисторов.
С помощью подстроечных резисторов 4,7 Ом, устанавливается ток покоя 100ма. На резисторах в эмиттерах выходных транзисторов 0,47 Ом, должно при этом быть напряжение, величиной 47 мв.
Выходные транзисторы П210, должны быть при этом, практически едва теплые.
Для точной установки нулевого потенциала, резисторы 250 Ом, должны быть точно подобраны (в реальной конструкции состоят из четырех резисторов по 1 кОм 2вт).
Для плавной установки тока покоя, используются подстроечные резисторы R18, R19 типа СП5-3В 4,7 Ом 5%.
Внешний вид усилителя сзади, изображен на фотографии ниже.

Можно узнать Ваши впечатления от звучания этого варианта усилителя, в сравнении с предыдущим безтрансформаторным вариантом на П213-217?

Еще более насыщенное сочное звучание. Особо подчеркну качество баса. Прослушивание проводилось с открытой акустикой на динамиках 2А12.

— Жан, а все таки почему именно П215 и П210, а не ГТ806/813 в схеме стоят?

Внимательно посмотрите параметры и характеристики всех этих транзисторов, я думаю Вы все поймете, и вопрос отпадет сам собой.
Отчетливо осознаю желание многих, сделать германиевый усилитель более широкополосным. Но реальность такова, что для звуковых целей многие высокочастотные германиевые транзисторы не совсем подходят. Из отечественных могу рекомендовать П201, П202, П203, П4, 1Т403, ГТ402, ГТ404, ГТ703, ГТ705, П213-П217, П208, П210. Метод расширения полосы пропускания — применение схем с общей базой, или использования импортных транзисторов.
Применение схем с трансформаторами, позволило добиться отличных результатов и на кремнии. Разработан усилитель на 2N3055.
Поделюсь в ближайшее время.

— А что там с «0» на выходе? При токе 100 мА трудно верится, что его удастся удержать в процессе работы в приемлемых +-0.1 В.
В аналогичных схемах 30-и летней давности (схема Григорьева), это решается либо «виртуальной» средней точкой либо электролитом:

Усилитель Григорьева.

Нулевой потенциал удерживается в указанном Вами пределе. Ток покоя вполне можно делать и 50ма. Контролируется по осциллографу до исчезновения ступеньки. Больше нет необходимости. Далее, все ОУ легко работают на нагрузку 2ком. Поэтому особых проблем согласования с CD нет.
Некоторые высокочастотные германиевые транзисторы требуют внимания и дополнительного изучения их в звуковых схемах. 1Т901А, 1Т906А, 1Т905А, П605-П608, 1ТС609, 1Т321. Пробуйте,нарабатываете опыт.
Иногда происходили внезапные отказы транзисторов 1Т806, 1Т813, поэтому могу рекомендовать их с осторожностью.
Им надо ставить «быструю» защиту по току, рассчитанную на ток больший максимального в данной схеме. Чтобы не было срабатывания защиты в нормальном режиме. Тогда они работают очень надёжно.
Добавлю свою версию схемы Григорьева

Версия схемы усилителя Григорьева.

Подбором резистора с базы входного транзистора устанавливается половина напряжения питания в точке соединения резисторов 10ом. Подбором резистора параллельно диоду 1N4148, устанавливается ток покоя.

— 1. У меня в справочниках Д305 нормированы на 50в. Может безопаснее применить Д304? Думаю 5А — достаточно.
— 2. Укажите реальные h31 для приборов установленных в этом макете или их минимально-требуемые значения.

Вы совершенно правы. Если нет необходимости в большой мощности. На каждом диоде напряжение составляет около 30 В, так что проблем с надежностью не возникает. Применены были транзисторы со следующими параметрами; П210 h31-40, П215 h31-100, ГТ402Г h31-200.

Схема блока питания со стабилизатором на транзисторе П210 изображена на рисунке 1. В свое время это очень популярная схема. Ее в разных модификациях можно было встретить, как в промышленной аппаратуре, так и в радиолюбительской.

Вся схема собирается навесным способом прямо на радиаторе, используя опорные стойки и жесткие вывода транзисторов. Площадь радиатора при токе нагрузки шесть ампер должна быть порядка 500см². Так как коллектора транзисторов VT1 и VT2 соединены, то их корпуса изолировать друг от друга не надо, но сам радиатор от корпуса (если он металлический) лучше изолировать. Диоды D1 и D2 – любые на 10А. Площадь радиаторов под диоды ≈ 80см². Приблизительно рассчитать площадь теплоотвода для разных полупроводниковых приборов, так сказать прикинуть, можно по диаграмме, приведенной в статье . Я обычно применяю П-образные радиаторы, согнутые из полоски трехмиллиметрового алюминия (см. фото 1).
Размер полоски 120×35мм. Трансформатор Тр1 – перемотанный трансформатор от телевизора. Например, ТС-180 или ему подобный. Диаметр провода вторичной обмотки – 1,25 ÷ 1,5мм. Количество витков вторичной обмотки будет зависеть от примененного вами трансформатора. Как рассчитать трансформатор можно узнать в статье , рубрика – «Самостоятельные расчеты». Каждая из обмоток III и IV должна быть рассчитана на напряжение 16В. Заменив подстроечный резистор R4 на переменный и дополнив схему амперметром, этим блоком питания можно будет заряжать автомобильные аккумуляторы.

Предлагаемый блок питания выполнен на транзисторах. Он имеет относительно простую схему (рис.1), и следующие параметры:

выходное напряжение………………………………………………………………………… 3…30 В;
коэффициент стабилизации при изменении напряжения сети от 200 до 240 В……… 500;
максимальный ток нагрузки……………………………………………………………………….. 2 А;
температурная нестабильность……………………………………………………………. 10 мВ/°С;
амплитуда пульсации при I макс……………………………………………………………….. 2 мВ;
выходное сопротивление…………………………………………………………………….. 0,05 Ом.

На диодах VD5-VD8 собран основной выпрямитель, напряжение с которого поступает на конденсатор фильтра С2 и регулирующий составной транзистор VT2, VT4-VT6, включенный по схеме с общим коллектором.
На транзисторах VT3, VT7 выполнен усилитель сигнала обратной связи. Транзистор VT7 питается от выходного напряжения блока питания. Резистор R9 является его нагрузкой. Напряжение эмиттера транзистора VT7 стабилизировано стабилитроном VD17. В результате ток этого транзистора зависит только от напряжения на базе, которое можно изменять, изменяя падение напряжения на резисторе R10 делителя напряжения R10, R12-R21. Всякое увеличение или уменьшение тока базы транзистора VT7 приводит к увеличению или уменьшению тока коллектора транзистора VT3. При этом в большей степени запирается или отпирается регулирующий элемент, соответственно уменьшая или увеличивая выходное напряжение блока питания. Коммутируя резисторы R13-R21 секцией SA2.2 переключателя SA2, изменяют выходное напряжение блока ступенями через 3 В. Плавно в пределах каждой ступени выходное напряжение регулируют с помощью резистора R12.

Вспомогательный параметрический стабилизатор на стабилитроне VD9 и резисторе R1 служит для питания транзистора VT3, напряжение питания которого равно сумме выходного напряжения блока и напряжения стабилизации стабилитрона VD9. Резистор R3 является нагрузкой транзистора VT3.

Конденсатор С4 устраняет самовозбуждение на высоких частотах, конденсатор С5 уменьшает пульсацию выходного напряжения. Диоды VD16, VD15 ускоряют разрядку конденсатора С6 и подключенной к блоку емкостной нагрузки при установке меньшего уровня выходного напряжения.

На транзисторе VT1, тринисторе VS1 и реле К1 выполнено устройство защиты блока питания от перегрузки. Как только падение напряжения на резисторе R5, пропорциональное току нагрузки, превысит напряжение на диоде VD12, открывается транзистор VT1. Вслед за ним открывается тринистор VS1, шунтируя через диод VD14 базу регулирующего транзистора, и ток через регулирующий элемент стабилизатора ограничивается. Одновременно срабатывает реле К1, контактами К1.2 соединяя базу регулирующего транзистора с общим проводом. Теперь выходной ток стабилизатора определяется только током утечки транзисторов VT2, VT4-VT6. Контактами К1.1 реле К1 включает лампочку Н2 “Перегрузка”. Для возврата стабилизатора в исходный режим его нужно выключить на несколько секунд и снова включить. Для устранения броска напряжения на выходе блока при его включении, а также предотвращения срабатывания защиты при значительной емкостной нагрузке служат конденсатор С3, резистор R2 и диод VD11. При включении блока питания конденсатор заряжается по двум цепям: через резистор R2 и через резистор R3 и диод VD11. При этом напряжение на базе регулирующего транзистора медленно растет вслед за напряжением на конденсаторе С3 до установления напряжения стабилизации. Затем диод VD11 закрывается и конденсатор С3 продолжает заряжаться через резистор R2. Диод VD11, закрываясь, исключает влияние конденсатора на работу стабилизатора. Диод VD10 служит для ускорения разрядки конденсатора С3 при выключении блока питания.

Все элементы блоков питания, кроме силового трансформатора, мощных регулирующих транзисторов, переключателей SA1-SA3, держателей предохранителей FU1, FU2, лампочек h2, h3, стрелочного измерителя, выходных разъемов и плавного регулятора выходного напряжения, размещены на печатных платах.

Расположение узлов блока питания внутри корпуса видно из рис.4. Транзисторы П210А закреплены на игольчатом радиаторе, установленном сзади корпуса и имеющем эффективную площадь рассеяния около 600 см 2 . Снизу в корпусе в месте крепления радиатора просверлены вентиляционные отверстия диаметром 8 мм. Крышка корпуса закрепляется таким образом, чтобы между ней и радиатором сохранялся воздушный зазор шириной около 0,5 см. Для лучшего охлаждения регулирующих транзисторов в крышке рекомендуется просверлить вентиляционные отверстия.

В центре корпуса закреплен силовой трансформатор, а рядом с ним с правой стороны на дюралевой пластине размером 5х2,5 см закреплен транзистор П214А. Пластина изолирована от корпуса с помощью изоляционных втулок. Диоды КД202В основного выпрямителя установлены на дюралевых пластинах, прикрученных к печатной плате. Плата установлена над силовым трансформатором деталями вниз.

Силовой трансформатор выполнен на тороидальном ленточном магнитопроводе ОЛ 50-80/50. Первичная обмотка содержит 960 витков провода ПЭВ-2 0,51. Обмотки II и IV имеют выходные напряжения соответственно 32 и 6 В при напряжении на первичной обмотке 220 В. Они содержат 140 и 27 витков провода ПЭВ-2 0,31. Обмотка III намотана проводом ПЭВ-2 1,2 и содержит 10 секций: нижняя (по схеме) — 60, а остальные по 11 витков. Выходные напряжения секций соответственно равны 14 и 2,5 В. Силовой трансформатор можно намотать и на другом магнитопроводе, например на стержневом от телевизоров УНТ 47/59 и других. Первичную обмотку такого трансформатора сохраняют, а вторичные перематывают для получения вышеуказанных напряжений.

В блоках питания вместо транзисторов П210А можно использовать транзисторы серий П216, П217, П4, ГТ806. Вместо транзисторов П214А-любые из серий П213-П215. Транзисторы МП26Б можно заменить любыми из серий МП25, МП26, а транзисторы П307В — любыми из серий П307 — П309, КТ605. Диоды Д223А можно заменить диодами Д223Б, КД103А, КД105; диоды КД202В — любыми мощными диодами с допустимым током не менее 2 А. Вместо стабилитрона Д818А можно применить любой другой стабилитрон из этой серии. Вместо тринистора КУ101Б подойдет любой из серии КУ101, КУ102. В качестве реле К1 применено малогабаритное реле типа РЭС-9, паспорта: РС4.524.200, РС4.524.201, РС4.524.209, РС4.524.213.

Реле указанных паспортов рассчитаны на рабочее напряжение 24…27 В, но начинают срабатывать уже при напряжении 15…16 В. При возникновении перегрузки блока питания (см. рис. 2), как уже отмечалось, отпирается тринистор VS1, который ограничивает ток стабилизатора до небольшой величины. При этом сразу же подзаряжается конденсатор фильтра основного выпрямителя (С2) примерно до амплитудного значения переменного напряжения (при нижнем положении переключателя SA2.1 это напряжение не менее 20 В) и создаются условия для быстрого и надежного срабатывания реле.

Переключатели SA2 — малогабаритные галетные типа 11П3НПМ. Во втором блоке контакты двух секций этого переключателя запараллелены и используются для коммутации секций силового трансформатора. При включенном блоке питания изменять положение переключателя SA2 следует при токах нагрузки, не превышающих 0,2…0,3 А. Если ток нагрузки превышает указанные значения, то для предотвращения искрообра-зования и обгорания контактов переключателя изменять выходное напряжение блока следует только после его выключения. Переменные резисторы для плавной регулировки выходного напряжения следует выбирать с зависимостью сопротивления от угла поворота движка типа “А” и желательно проволочные. В качестве сигнальных лампочек h2, h3 применены миниатюрные лампочки накаливания НСМ-9 В-60 мА.

Стрелочный прибор можно применить любой на ток полного отклонения стрелки до 1 мА и размером лицевой части не более 60Х60 мм. При этом нужно помнить, что включение шунта в выходную цепь блока питания увеличивает его выходное сопротивление. Чем больше ток полного отклонения стрелки прибора, тем больше сопротивление шунта (при условии, что внутренние сопротивления приборов одного порядка). Для предотвращения влияния прибора на выходное сопротивление блока питания переключатель SA3 при работе следует устанавливать на измерение напряжения (верхнее по схеме положение). При этом шунт прибора замыкается и исключается из выходной цепи.

Налаживание сводится к проверке правильности монтажа, подбору резисторов управляющих ступеней для регулировки выходного напряжения в нужных пределах, установке тока срабатывания защиты и подбору сопротивлений резисторов Rш и Rд для стрелочного измерителя. Перед настройкой вместо шунта припаивают короткую проволочную перемычку.

При настройке блока питания переключатель SA2 и движок резистора R12 устанавливают в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению (нижнее по схеме положение). Подбором резистора R21 добиваются на выходе блока напряжения 2,7…3 В. Затем переводят движок резистора R12 в крайнее правое положение (верхнее по схеме) и подбором резистора R10 устанавливают напряжение на выходе блока, равное 6 — 6,5 В. Далее переводят переключатель SA2 на одно положение вправо и подбирают резистор R20 таким, чтобы выходное напряжение блока увеличилось на 3 В. И так по порядку, каждый раз переводя переключатель SA2 на одно положение вправо, подбирают резисторы R19-R13 до установления на выходе блока питания конечного напряжения 30 В. Резистор R12 для плавной регулировки выходного напряжения можно взять другого номинала: от 300 до 680 Ом, однако, примерно пропорционально нужно изменить сопротивление резисторов R10, R13-R20.

Срабатывание защиты настраивают путем подбора резистора R5.

Добавочный резистор Rд и шунт Rш подбирают, сличая показания измерителя РА1 с показаниями внешнего измерительного прибора. При этом внешний прибор должен быть как можно точнее. В качестве добавочного резистора можно использовать один или два последовательно включенных резистора ОМЛТ, МТ на мощность рассеяния не менее 0,5 Вт. При подборе резистора Rд переключатель SA3 переводят в положение “Напряжение” и устанавливают на выходе блока питания напряжение 30 В. Внешний прибор, не забыв переключить его на измерение напряжений, подключают к выходу блока.

Простой блок питания 1. В 2. 0АAjout. 2. 01. Подписывайтесь на нашу группу Вконтакте — http: //vk. Facebook — https: //www. Простой, но достаточно мощный источник питания с фиксированным напряжением можно построить с применением линейного стабилизатор L7.

SD1. 13, имеющих максимальный коллекторный ток 3. А. Микросхемный стабилизатор при участии двух параллельных транзисторов позволяют получить стабилизированное напряжение 1.

В с выходным током 2. А и более, зависящим от параметров силового трансформатора.

Схема имеет защиту от короткого замыкания. Ток защиты определяется делителем напряжения в базе транзистора КТ8. После срабатывания защиты или при включении источника питания для вывода стабилизатора в рабочий режим необходимо нажать кнопку. В случае срабатывания защиты, напряжение на выходе упадет до 1. В, закроется транзистор КТ8.

КТ8. 16, далее, микросхемный стабилизатор и два мощных транзистора. Напряжение на выходе упадет, и будет удерживаться в таком состоянии продолжительное время. Мощность ичсточника питания зависит от параметров силового трансформатора, фильтра питания, и количества силовых транзисторов, установленных на соответствующий теплоотвод.

Транзисторы П210 — германиевые, мощные низкочастотные, структуры — p-n-p. Для питания такой радиостанции от бортовых аккумуляторов, необходим специальный блок питания, включающий в себя преобразователь напряжения.

Простой, но достаточно мощный источник питания с Ток защиты определяется делителем напряжения в базе транзистора КТ817 и.

• Стабилизатор напряжения П210, хочу понять как принцип роботы. П210 — это просто транзистор (по моему германиевый), мощный.
• Схема источника питания,блока питания,импульсного. Предлагаемая схема простого (всего 3 транзистора) блока питания выгодно.
• При коротком замыкании на выходе блока питания эмиттер транзистора VT1 окажется соединенным с анодом диода VD5, и на его.
• Замена транзисторов в лабораторном БП. Зарядное устройство на базе блоков питания ПК. БП от него свободен.
• Транзисторы П210 — германиевые, мощные низкочастотные, структуры — p-n-p.
• Зарядное устройство на транзисторе п210 отремонтировать можно без особых усилий, Схема блока питания с транзистором п210.

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Собираем первые устройства >

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором Rб
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Uвх = Uвых + 3

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Едем дальше.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Считаем:

Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем Pmax=1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то Pmax=1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор…

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

Iб max=Imax / h31Э min

h31Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

Iб max=1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник…

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h31Э раз. h31Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h31Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора Rб.

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

Rб = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб.

То есть

Prб=(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

Cф=3200Iн/UнKн

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

Cф=3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

Uобр max=2Uн, то есть Uобр max=2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

<<—Часть 1—-Часть 3—>>

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Блок питания на полевых транзисторах IRF3205 » Сервер радіоаматорів Прикарпаття

Для питания различных транзисторных конструкций решил собрать блок питания (далее – БП) со стабилизатором на полевых транзисторах, так как они имеют малое падение напряжения при больших токах в нагрузку.

Собрал и проверил схему стабилизатора RK9UC  [1], показанную на Рис. 1. Эта схема выбрана из-за того, что имеет узел стабилизации (ограничения) тока в нагрузку (за это отвечают элементы = R6 R7 и VT5, выделенные на схеме красным цветом). Узел ограничения тока в нагрузку позволяет уменьшить последствия после аварийных ситуаций, а надеяться только на один предохранитель не очень разумно. Правда, мне не понравилось место установки «датчика тока» R7 в схеме.  Перед сборкой стабилизатора, показалось, что из-за него возможна просадка выходного напряжения. Так как из-за падения напряжения на «датчике тока» R7 «регулируемый стабилитрон» DA1 будет неправильно корректировать выходное напряжение. Все-таки, мне не повезло. При испытании БП, уже при токе нагрузки всего 4 А напряжение на нагрузке проседало с 14,56 до 13,72 В. При закорачивании «датчика тока» R7 «просадка» значительно уменьшалась.

Чтобы спасти изготовленный БП от капитальных переделок, было принято решение, перенести детали R6 R7 VT5 в плюсовую цепь, и поставить их перед стабилизатором, между плюсом выпрямителя и стоками полевых транзисторов,  так как сделал RA3WDK [2].

Схема доработанного БП показана на Рис. 2. Он обеспечивает выходное напряжение в пределах 9…17 В, при токе в нагрузку до 14 А, это значение тока ограничено мощностью примененного трансформатора Тр1 типа ТС-180. Если применить трансформатор типа ТС-270, максимальный ток можно ограничить на уровне 20 А. При этом придется добавить еще один транзистор IRF3205, включенный параллельно транзисторам VT3 и VT4.

 

 

Для работы стабилизатора на полевых транзисторах VT3 и VT4 необходимо, чтобы напряжение на входе выпрямителя было на 2…3 В больше чем на выходе.
Но для нормальной работы полевых транзисторов VT3 и VT4 типа IRF3205 напряжение на их затворах должно быть на 5…7 В больше чем на истоках. Для этого нужно либо поднять выпрямленное напряжение на входе всего стабилизатора или использовать дополнительный удвоитель напряжения на элементах C3 VD5 VD6 C6 для питания цепи затворов транзисторов VT3 и VT4.

При увеличении тока нагрузки свыше расчетного, падение напряжения на резисторе R2 превысит значение 0,7 В. Это напряжение, через резистор R3 будет приложено к переходу база–эмиттер транзистора VT1, открывая его. Ток через открытый переход коллектор–эмиттер транзистора VT1 и резисторы R4 и R5, создает падение напряжения на резисторе R5. Это напряжение, приложенное к переходу база–эмиттер транзистора VT2, открывает его. Открытый переход коллектор–эмиттер транзистора VT1 шунтирует «регулируемый стабилитрон» DA1, вследствие чего выходное напряжение уменьшается на столько, на сколько это необходимо для ограничения тока в нагрузку, согласно выбранного уровня.
Резисторы R7 и R9 предназначены для равномерного распределения тока между полевыми транзисторами VT3 и VT4.
Стабилитрон VD8 служить для защиты цепи стоков полевых транзисторов VT3 и VT4.

Конденсатор С7 служит для повышения помехоустойчивости узла стабилизации (ограничения) тока в нагрузку.

Микроамперметр РА1 на 150 – 200 мкА от кассетных магнитофонов, например М68501, М476/1. Родная шкала снята, вместо нее установлена самодельная шкала, изготовленная с помощью программы FrontDesigner_3.0, файлы шкал можно скачать с сайта журнала [3].
Правильно собранный, без ошибок, БП запускается сразу.
Все малогабаритные детали собраны на односторонней печатной плате (Рис. 3).

 

 

Монтаж БП показан на Рис. 4.

 

Изменяя сопротивление резисторов R11 и R13, устанавливаем пределы регулировки выходного напряжения. При указанных сопротивлениях резисторов R11 – R13 выходное напряжение регулируется в пределах 9…17 В.

Нагружаем БП на эквивалент нагрузки, мощный резистор, сопротивлением 1…1,5 Ом. Последовательно с эквивалентом подключаем образцовый амперметр. Подбором сопротивления резистора R1 устанавливаем предел измерения для амперметра РА1. Движком резистора R12  увеличиваем напряжение на выходе, тем самым увеличиваем ток в нагрузку сверх расчетного уровня. Смотрим, есть ли ограничение тока, работает ли стабилизация тока?

Результаты посте переделки: напряжение Uхх = 14,64 В, при токе нагрузки = 12 А напряжение на нагрузке Uн =14,52 В.
Теперь можно закрывать крышку. БП собран в корпусе размерами 150х120х260 мм, внешний вид показан на Рис. 5.

 

Изготовленный БП также часто используется для питания транзисторного КВ усилителя мощности и шуруповерта, у которого вышла из строя аккумуляторная батарея.

 

 

Скачать схему в формате splan: power_source_irf3205_scheme.spl [33.23 Kb] (скачувань: 1441)

Скачать разводку печатной платы: power_source_ft.lay [90.94 Kb] (скачувань: 1282)

 

Мельничук Василий Васильевич (UR5YW),
г. Черновцы, Украина.
E-mail: [email protected]

 

Использованная литература:

1. Стабилизатор RK9UC  http://vprl.ru/publ/tekhnologii/nachinajushhim/tl431_chto_ehto_za_quot_zver_quot_takoj/9-1-0-17 , http://vprl.ru/staty/nachinayushi/tl/bp13v22a.gif
2. Блок питания Power supply «POWER ICE 30A v.3 http://ra3wdk.qrz.ru/tech.htm.
3. Шкалы РА1 для амперметра БП.rar

Полевые транзисторы на основе черного фосфора с одновременным достижением почти идеального подпорогового колебания и высокой подвижности дырок при комнатной температуре

Пленки FL и объемные BP механически отслаиваются на подложке HfO ₂ (5 нм) / Si, где слой HfO ₂ был нанесен методом атомно-слоистого осаждения (ALD). Атомно-силовая микроскопия (АСМ) использовалась для прямого измерения толщины FL и объемной пленки BP, как показано на рис. 1 (a, b). Измеренные толщины — 4,50 и 41.78 нм для FL и объемной пленки BP соответственно. Согласно толщине монослоя БП 0.85 нм количество слоев ПЛ и объемного БП составляет ~ 5 и ~ 45 ²³ . На рис. 1 (с) показаны спектры комбинационного рассеяния ФЛ и объемной пленки БП при 300 К с использованием возбуждающего лазера с длиной волны 514 нм. По сравнению с пленкой FL BP, аналогично MoS ₂ и графену, объемный BP показывает меньшую интенсивность, что связано с эффектом оптической интерференции ^24,25 . Пики, B _2g , и могут быть хорошо идентифицированы при частоте комбинационного рассеяния ~ 360.25, ~ 437,79 и ~ 465,99 см ^-1 соответственно, что хорошо согласуется с ранее опубликованными результатами ¹⁶ . Рамановский режим связан с колебаниями атомов фосфора вне плоскости; Рамановские моды B _2g и связаны с колебаниями атомов фосфора в плоскости, а направления колебаний комбинационных мод B _2g находятся под нормальным углом. По сравнению с FL BP, режимы комбинационного рассеяния и B _2g объемного BP имеют небольшой сдвиг в синий цвет, равный 0.75 и 0,58 см ⁻¹ соответственно. Подобно MoS ₂ , внеплоскостной режим комбинационного рассеяния синего цвета массивного БП происходит из-за увеличения восстанавливающей силы по мере увеличения количества слоев, или режим комбинационного рассеяния вне плоскости усиливается с увеличением толщина за счет дополнительного межслоевого ван-дер-ваальсова взаимодействия ²⁶ . Сдвиг частоты рамановской моды согласуется с переходом от нескольких слоев к объемным. Что касается MoS ₂ , то комбинационная мода в плоскости имеет красное смещение при увеличении слоя, которое объясняется диэлектрическим экранированием, главным образом из-за присутствия атомов Mo.В случае BP только атомы фосфора участвуют в колебаниях, диэлектрическое экранирование должно быть незначительным, в то время как изменения структуры, вызванные пакетированием, могут доминировать ²⁷ . Как показано на рис. 1 (c), плоская комбинационная мода B _2g объемного BP имеет небольшой сдвиг в синий цвет 0,80 см ^-1 , а плоская комбинационная мода объемного BP остается почти такой же, при увеличении толщины до объемной. Это могло быть связано с уникальной анизотропной структурой БП с разными параметрами решетки в разных направлениях, которые имеют разную чувствительность к внешнему воздействию.Теоретические расчеты показывают, что параметр решетки вдоль внеплоскостного направления существенно изменяется от объемного к многослойному ДП, в то время как параметр решетки в двух других направлениях остается почти неизменным, что может быть использовано для объяснения аномального поведения колебаний BP ²⁸ . Об этом сообщается в исх. 15 видно, что режимы комбинационного рассеяния света и комбинационного рассеяния сдвигаются навстречу друг другу с увеличением толщины из-за двойного резонансного рассеяния, что может быть спектральным признаком идентификации одно- и многослойной природы БП.В исх. 29 Дж. Л. Даттатрея, режим комбинационного рассеяния света BP имеет синий сдвиг 1,6 см ^-1 по мере уменьшения толщины, но B _2g и режимы комбинационного рассеяния BP остаются неизменными. Следует отметить, что образцы БП в ссылках 15,29 расслаиваются на подложке SiO ₂ / Si. Предполагается, что нижележащая подложка (SiO ₂ или HfO ₂ ) действительно влияет на положение пика комбинационного рассеяния. Кроме того, сообщалось, что FL или однослойный BP очень чувствителен к окружающим условиям, таким как вода и кислород, как и графен и другие 2D-материалы.

Рис. 1

( a ) Изображение расслоенной чешуйки BP, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), на котором отмечены многослойный (FL) и объемный слой BP. ( b ) Толщина пленки измерялась непосредственно с помощью АСМ в бесконтактном режиме. Измеренная толщина составляет 4,50 и 41,78 нм для пленки FL и объемной пленки BP соответственно. ( c ) Рамановские спектры при 300 К ФЛ и объемного слоя БП. Четко наблюдаются три режима активного комбинационного рассеяния, B _2g , и.

Зонные структуры для монослоя, FL и объемного BP рассчитаны с использованием ab initio теории функции плотности (DFT) с гибридным функционалом плотности HSE06.Приближение обобщенного градиента в Perdew, Burke и Ernzerhof (PBE) со сверхмягкими псевдопотенциалами использовалось при расчете процесса оптимизации геометрической структуры. Для расчета однослойных и пятислойных систем мы вырезали план объемного БП <0 1 0> и настроили толщину вакуумного слоя 20 Å по оси c, используя 3 × 4 × 1 и 6 × 8 × 1 k. Сетки с точками для структурной релаксации и зонной структуры соответственно. Результаты показаны на рис. 2 (а – в). Значение прямой запрещенной зоны для монослоя, FL и объемного BP равно 1.53, 0,62 и 0,39 эВ соответственно. Зона минимальной проводимости и точка максимальной валентной зоны смещаются от точки G к точке, расположенной между G и Q, по мере увеличения толщины. Расчетная эффективная масса отверстия для монослоя и пятислойного БП составляет ~ 6,3 м _o и 0,87 м _o соответственно, что хорошо согласуется с результатами предыдущих расчетов ²⁸ . Более низкая эффективная масса отверстия по сравнению с другими 2D-материалами может способствовать более высокому току стока и более высокой скорости переключения.

Рис. 2: Зонная структура DFT-HSE06 (а) монослойной, (б) пятислойной и (в) объемной пленки БП.

Наблюдаемая прямая запрещенная зона отмечена стрелкой.

Чтобы отличить эту работу от заявленных в исх. 29 (BP / SiO ₂ ) и исследовать влияние нижележащего высокого — k HfO ₂ на рамановский сигнал BP, температурно-зависимые рамановские измерения FL / HfO ₂ и объемных образцов BP / HfO ₂ были проведены при 80–300 K и возбуждающем лазере с длиной волны 514 нм, результаты представлены на рис.3 (а, б) соответственно. В этой части мы сосредоточимся на обсуждении положения пика как функции температуры для FL и объемного BP. Ввиду того, что БП является потенциальным материалом КМОП-канала за пределами Si, важно изучить электрон-фононные взаимодействия или режимы колебаний при различных температурах с помощью неразрушающего метода комбинационного рассеяния света. Температурно-зависимые режимы рамановской вибрации БП могут иметь прямое отношение к транспортировке носителей полевых транзисторов на основе БП. При понижении температуры с 300 до 80 K все режимы комбинационного рассеяния, B _2g , а также для FL и объемной пленки BP изменяются линейно в зависимости от температуры, как показано на рис.4 (а – в). Хорошо известно, что спектроскопия комбинационного рассеяния света представляет собой четырехфононный процесс, который преобладает над тепловым расширением, так как фононный процесс в режиме комбинационного рассеяния линейно сдвигается с изменением температуры. Можно ожидать небольшого разброса точек данных для положения пика комбинационного рассеяния, и это хорошо понятно из-за небольшого изменения лазерного пятна на образце, локальной вибрации рамановской стадии или низкой мощности возбуждения на образце с последующим дополнительным затуханием. из окна холодно-горячей камеры во время измерения.Наблюдаемые данные о положении пика, полученные из лоренцевой аппроксимации для B _2g и рамановских мод в зависимости от температуры, были аппроксимированы с использованием модели Грюнайзена: ω (T) = ω ₀ + Χ T, где ω ₀ — положение пика рамановской моды при нулевой температуре Кельвина, а Χ — это температурный коэффициент первого порядка той же моды. Наклон подобранных линий дает температурный коэффициент первого порядка для конкретной рамановской моды и показан на вставке на рис.4. Округляя X до ближайших двух десятичных знаков, режимы B _2g и Рамана показывают X около -0,01 см ^-1 / K как для FL, так и для объемных образцов BP. Хотя тепловой коэффициент ( ), соответствующий, B _2g , и рамановским режимам объемного БП не сообщается в литературе, значения этих комбинационных режимов Χ для ФЛ БП (5 слоев) найдены быть сопоставимым с заявленными значениями (~ -0,01 см ^-1 / K) в исх.29. Это указывает на то, что кристаллическая структура БП на HfO ₂ остается неизменной и сопоставима с БП на SiO ₂ . Это очень важно для реализации высокопроизводительного устройства. Χ , полученное в этой работе, также аналогично тому, которое было получено для монослоя и массы MoS ₂ , выращенного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) или расслоения в ссылках 30,31, и примерно на порядок больше, чем полученное для расслоенный монослой WS ₂ ³² .По сравнению с WS ₂ , как FL, так и объемный BP намного более чувствительны к температуре. Это может быть связано с тем, что БП имеет лучшую механическую гибкость, что объясняется его уникальной морщинистой кристаллической структурой. Кроме того, изменение положения пика комбинационного рассеяния в зависимости от температуры для образцов FL и Bulk BP объясняется температурным эффектом, который приводит к ангармонизму и тепловому или объемному расширению.

Рис. 3

Температурно-зависимые спектры комбинационного рассеяния ( a ) FL / HfO ₂ и ( b ) объемных образцов BP / HfO ₂ при 80–300 K и возбуждающем лазере с длиной волны 514 нм.

Рис. 4. Влияние изменения температуры на режимы комбинационного рассеяния ( a ), ( b ) B _2g и ( c ) для FL и объемной пленки BP.

При понижении температуры Рамановский режим усиливается или смещается в сторону более высокой частоты.

На рис. 5 (а) показана структура полевых транзисторов на БП, которые были изготовлены на подложке HfO ₂ / Si. Вид сбоку слоя БП показан на вставке на рис. 5 (а). Вид сверху изготовленных устройств показан на вставке к рис.5 (б). Изготовленные устройства с длиной затвора L 3 мкм и шириной затвора W 8 мкм были электрически измерены. Как показано на рис. 5 (b), ток утечки затвора I _G находится в диапазоне 10 ^-8 ~ 10 ^-10 А при напряжении стока -0,1 В в измеренном диапазон напряжения затвора. Как показано на рис. 5 (c), изготовленные полевые транзисторы на БП демонстрируют отношение тока включения / выключения ~ 10 ² и почти идеальный подпороговый размах SS ~ 69 мВ / декаду.Выходной ток стока в этой работе ограничен высоким контактным сопротивлением, которое может быть дополнительно увеличено с помощью техники истока / стока или техники легирования. Пороговое напряжение В _th ~ 1,7 В было извлечено с использованием метода линейной экстраполяции, который экстраполирует характеристику ( I _D — В _G ), измеренную при В _D = 0,1 В, от точки максимального наклона до точки пересечения с осью напряжения затвора.Эффективная плотность состояний границы D _it может быть оценена с помощью уравнения подпорогового колебания SS :, где k — постоянная Больцмана, T — температура в Кельвинах, q — это постоянная Больцмана. электронный заряд, это обедненная емкость BP, это емкость интерфейса BP / HfO ₂ в состоянии, а также единичная емкость затвора 0,044 Ф / м ² (5 нм HfO ₂ ). Когда приложенное напряжение затвора близко к пороговому напряжению, оно пренебрежимо мало по сравнению с, и тогда эффективная плотность состояний интерфейса D _it на интерфейсе BP / HfO ₂ может быть оценена с помощью следующего уравнения:На основе извлеченного SS ~ 69 мВ / декада эффективная плотность состояний интерфейса D _it на границе BP / HfO ₂ рассчитана как 4,38 × 10 ¹² см ⁻² эВ ⁻¹ . Интерфейсные состояния могут быть связаны с оборванными связями из-за образования вакансий фосфора на границе BP / HfO ₂ . По сравнению с другими 2D-материалами, такими как MoS ₂ ³³ , плотность точечных дефектов (вакансий серы) была равна 1.2 × 10 ¹³ см ⁻² , что выше достигнутого в данной работе. Пиковая подвижность дырочного поля мкм ~ 413 см ² / Вс при 300 К может быть извлечена с помощью, где C _OX составляет 0,044 Ф / м ² (диэлектрическая постоянная HfO ₂ 25) и В _D = 0,1 В. Высокая подвижность дырок при комнатной температуре, достигнутая в этой работе, объясняется лучшим качеством интерфейса BP / HfO ₂ .Это подтверждается результатами XPS, показанными на рис. 6 (b, c), где связи P-O заменены связями P-Hf. Хорошее качество интерфейса BP / HfO ₂ с точки зрения низкой плотности состояний интерфейса и подавления связей P-O является основным фактором, способствующим хорошей мобильности, достигнутой в этой работе. На рис. 5 (d) выходной ток изготовленных полевых транзисторов на БП составляет около 0,4 мА при напряжении стока -1 В и затворе с избыточным возбуждением -1,0 В. Показатель достоинств, показанный на рис. ) сравнивает производительность подвижности отверстий при комнатной температуре в зависимости от SS между этой работой и недавно опубликованной работой.Наибольшая подвижность дырок мкм ~ 1000 см ² / В · с была получена в работе [5]. 14 на подложке SiO ₂ / Si, но SS составляет ~ 4,6 В / декаду, что слишком много для практического применения в устройстве. Обычно SS полевых транзисторов BP, изготовленных на подложке SiO ₂ / Si, находится в диапазоне 1,5–17,2 В / декада, что связано с плохим качеством интерфейса, расположенного на границе раздела BP / SiO ₂ . С добавлением материала с высоким содержанием k (Al ₂ O ₃ , HfO ₂ и т. Д.) В качестве диэлектрика затвора, SS полевых транзисторов BP может быть дополнительно уменьшен до почти идеального значения ( ~ 60 мВ / декада), что указывает на то, что лучшее качество интерфейса может быть получено для интерфейса BP / high- k .По сравнению с заявленной мобильностью (0,1 ~ 368 см ² / Vs) полевых транзисторов MoS ₂ и WS ₂ ^8,34 , мобильность полевых транзисторов BP значительно выше, это может быть связано с более низким эффективная масса БП и лучшее качество границы раздела БП / оксид, что демонстрирует преимущество БП перед другими 2D-материалами в электронном приложении ²⁸ . Кроме того, присутствие диэлектрика с высоким значением k (HfO ₂ ) для полевых транзисторов BP в этой работе может повысить подвижность носителей из-за эффекта экранирования заряда, который также наблюдался в других 2D-материалах (MoS ₂ и т. Д.) на базе устройств ³⁵ .Кроме того, подвижность носителей подвижность носителей в фосфорене в основном ограничена примесями удаленного заряда, а не рассеянием фононов ³⁶ . Более низкая плотность состояний интерфейса в этой работе может снизить рассеяние состояний интерфейса с пониженными зарядами, что приводит к увеличению подвижности. В этой работе для полевых транзисторов BP на подложке HfO ₂ / Si с использованием низкотемпературного КМОП-совместимого процесса одновременно получены как высокая подвижность дырок при комнатной температуре, так и почти идеальная SS . Кроме того, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) с высоким разрешением используется для изучения химических свойств интерфейса BP / HfO ₂ и BP / SiO ₂ , как показано на рис.6 (б, в). Пик P-O (~ 137,22 эВ) наблюдался на образце BP / SiO ₂ и был заменен пиком Hf-P (~ 135,22 эВ) в образце BP / HfO ₂ . Кроме того, пик P-P для образца BP / SiO ₂ смещен в сторону более высокой энергии связи на 0,94 эВ с 130,95 эВ (BP / HfO ₂ ) до 131,89 эВ (BP / SiO ₂ ). На основании спектров P 2p XPS, сигнал связывания PO на границе раздела BP / HfO ₂ подавляется наличием связи Hf-P в образце BP / HfO ₂ , что означает, что BP намного более химически устойчив к HfO. ₂ поверхности, что приводит к высокому качеству интерфейса BP / HfO ₂ ³⁵ .Другими словами, высокая мобильность, достигнутая в этой работе, в первую очередь объясняется низкой плотностью состояний интерфейса и подавлением связей P-O на интерфейсе BP / HfO ₂ .

Рис. 5

( a ) Схематический чертеж изготовленных полевых транзисторов БП, а на вставке показан вид сбоку пленки БП. ( b ) Ток утечки затвора как функция напряжения затвора для изготовленных полевых транзисторов на транзисторе, а на вставке показан вид сверху изготовленных полевых транзисторов на транзисторе. Ток утечки затвора находится в диапазоне 10 ^-8 ~ 10 ^-10 А при напряжении стока -0.1 В в измеряемом диапазоне напряжения затвора. ( c ) Линейный и логарифмический ток стока в зависимости от напряжения затвора для изготовленных полевых транзисторов на транзисторах с длиной затвора 3 мкм и шириной затвора 8 мкм. Напряжение затвора изменялось от 0 В до положительного напряжения. В этой работе был получен низкий гистерезис, что дополнительно подтверждает достижение хорошего качества интерфейса BP / HfO ₂ , поддерживаемого почти идеальным подпороговым размахом. Устройство показывает коэффициент включения / выключения ~ 10 ² .( d ) Выходные характеристики ( I _D — В _D ) изготовленных полевых транзисторов БП. Выходной ток стока составляет около 0,4 мА при напряжении стока -1 В и управлении затвором -1,0 В.

Рис. SS между этой работой и недавно опубликованными. Эта работа одновременно обеспечивает высокую подвижность отверстия при комнатной температуре и близкое к идеальному подпороговое колебание.P 2p РФЭС-спектры образцов ( b ) BP / HfO ₂ и ( c ) BP / SiO ₂ . Сигнал соединения P-O в интерфейсе BP / HfO ₂ подавляется связыванием Hf-P.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Насколько важен контакт металл – полупроводник Пример использования многослойного черного Фосфор?

Абстракция

Фосфор черный (BP) — недавно переоткрытая слоистая двумерная (2D) полупроводник с прямой запрещенной зоной (0.35–2 эВ), высокий подвижность дырок (300–5000 см ² / Вс) и анизотропия переноса. В этой статье мы систематически исследовали эффекты металл – полупроводник. интерфейс / контакты на работоспособность транзисторов с барьером Шоттки БП. Сначала формируется «чистый» контакт металл – БП с пассивация нитридом бора (BN). Установлено, что контактное сопротивление контакта чистого металла с БП в семь раз меньше, чем ранее сообщенные значения. В результате высокопроизводительные транзисторы БП с верхним затвором демонстрируют рекордно высокий ток стока в открытом состоянии ( I _на ) 940 мкА / мкм.Во-вторых, образуются туннельные барьеры BN. на контактах истока / стока, чтобы помочь понять аномально высокий Ток стока в выключенном состоянии ( I _выкл ) в устройствах с чистыми контактами металл – БП. Этот высокий I _от объясняется туннельным током электронов от слив в канал. Наконец, I _на / I _от полевых транзисторов BP можно значительно улучшить за счет использования асимметричной контактной структуры.За счет установки тонкого туннельного барьера BN на стороне стока I _от уменьшается в ∼120 раз с снижение затрат на 20% в I _на . Это дело изучение контактов по БП показывает важность понимания контакты металл – полупроводник для двумерных транзисторов с барьером Шоттки. В основном.

Введение

Двумерный (2D) материалы показали большой потенциал в применение нанотранзисторов, особенно для узловых технологий за пределами 5 нм. ¹⁻⁵ Среди тысяч 2D материалов черный фосфор (BP) вызвал Интенсивные исследовательские интересы благодаря уникальным свойствам материала. ^6-8 В зависимости от количества слоев ширина запрещенной зоны БП варьируется от От 0,35 до 2,0 эВ. ^9,10 Дырочная холловая подвижность БП достигает 5200 см ² / В с при комнатной температуре с гексагональной пассивация нитридом бора (h-BN). ¹¹ л. имеет сморщенную сотовую атомную структуру, что приводит к его высокой анизотропные транспортные характеристики. ^12,13 Умеренный прямая запрещенная зона и высокая мобильность носителей делают BP сильным кандидатом для высокопроизводительных транзисторных приложений. ¹⁴⁻¹⁹

Однако полевые транзисторы (FET) на основе большинства 2D полупроводники транзисторы с барьером Шоттки. ²⁰⁻²³ А именно характеристики транзистора на них существенно влияют контакты Шоттки истока / стока. Этот феномен более очевиден для устройств с коротким каналом, где контактное сопротивление даже более доминирующее, чем сопротивление канала.Таким образом, очень важно сформировать низкоомный металл-полупроводник. контакт, чтобы получить полный доступ к внутренним свойствам материала канала. Обычно контактное сопротивление 2D полупроводниковых полевых транзисторов включает три части: (i) сопротивление барьера Шоттки ( R _sb ), которое является результатом пиннинга уровня Ферми и разница между работой выхода металла и сродством к электрону полупроводника; (ii) туннельное сопротивление ( R _t ) из-за наличия физического зазора между металл и полупроводник.Физический разрыв может происходить из-за любого межфазного окись; и (iii) межслоевое сопротивление ( R _inter ) при контакте от верхних слоев к нижним слоям. R _inter обычно намного меньше, чем R _sb и R _t . Однако в 2D Полевые транзисторы, R _inter нельзя игнорировать, особенно для устройства с нижним затвором из-за значительно более высокого внеплоскостного эффективная масса, которая обычно в несколько раз больше, чем в плоскости эффективная масса. ²⁴

Один недостаток БП заключается в том, что он легко реагирует с O ₂ и H ₂ O в окружающей среде, образуя оксид после скалывание от основной массы. ²⁵⁻²⁷ Существование этого фосфора оксид / кислота на поверхности делает образование чистой и низкоомной Интерфейс БП – металл сложен. ²⁸ Это наводит нас на мысль, что можно достичь гораздо лучших контактов с чистой границей раздела металл-БП, предотвращая образование оксида фосфора / кислоты.В этой работе мы демонстрируем, как минимизировать общее сопротивление контакта ( R _общее = R _{сб контактный металл, пассивация БН и конструкция верхнего затвора. Это позволяет сопротивление контакта БП снизить до рекордно низкого значения 0,58 кОм · мкм, в результате чего I на превышает 940 мкА / мкм. ¹⁵ Как следствие, I off также увеличивается значительно в этих контактных устройствах с низким сопротивлением.Понять аномально высокий I off , R t намеренно увеличен за счет добавления тонкого барьера BN к контакту. Установлено, что высокое значение I от связано с обратным туннельным током электронов на стороне стока, который может быть подавлен туннельным барьером BN. Наконец, используя асимметричная контактная структура с чистым контактом металл – БП на истоке и туннельном барьере БН на стоке успешно уменьшил I от в 120 раз только сокращение на 20% I на .}

Изготовление устройства

показывает процесс изготовления устройства для изготовления полевых транзисторов БП с верхним затвором. Малоуслойный Хлопья БП расслаивались на 90 нм SiO ₂ / p ⁺⁺ Si подложку. Тонкая пленка BN была выращена на сапфире металлоорганическим методом. химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) толщиной 1,6 нм и среднеквадратичная шероховатость 0,1 нм. ^29,30 Родственник диэлектрическая проницаемость BN составляет около 3, что аналогично заявленным значение CVD BN. ³¹ MOCVD BN впервые передано на подложку BP – SiO ₂ –Si (подробности в разделе «Материалы и методы»).Область истока / стока был сформирован методом электронно-лучевой литографии. После этого был протравлен BN. с помощью маломощного реактивного ионного травления Ar (RIE) со скоростью травления ∼1 нм / 10 с. Толщину BN можно контролировать, регулируя время травления Ar. показывает изображение травления BN, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). образец после Ar RIE в течение 10 с. Шероховатость BN увеличивается от От 0,1 нм до примерно 0,5 нм после RIE. Сразу после травления 5 нм Pt / 8 нм Ni / 30 нм Al наносили в качестве контактных металлов.Второй осажден диэлектрический слой, 4 нм Al ₂ O ₃ осаждением атомного слоя (ALD) при 200 ° C после отрыва металла процесс. Полная эквивалентная толщина оксида BN – Al ₂ O ₃ диэлектрического слоя верхнего затвора составляет около 4 нм. Наконец-то, 20 нм Ti / 50 нм Au наносили в качестве металла верхнего затвора. Все устройства были изготовлены с током, протекающим вдоль кресла с высокой подвижностью. направление БП, которое определялось поляризационно-зависимым рамановским спектров с использованием рамановского спектрометра HORIBA LabRAM HR800 с 532.8 He – Ne-лазер с длиной волны нм. У всех устройств один и тот же канал длина 200 нм и толщина от 4 до 12 нм. Характеристика полевых транзисторов выполняли на воздухе при комнатной температуре с использованием прибора Keithley Анализатор параметров полупроводников 4200.

Технологический процесс изготовления для полевых транзисторов с верхним затвором и диэлектрическими / пассивирующими слоями затвора BN – Al ₂ O ₃ . Ключевые шаги включают (i) MOCVD BN, (ii) общий рост АД, (iii) отшелушивание АД, (iv) Высвобождение BN, (v) перенос BN, (vi) сухое травление BN, (vii) металлизация S / D, и (viii) ALD Al ₂ O ₃ и металлизация затвора.Этап (iii) отшелушивание BP и этап (v) перенос BN были выполнены. в перчаточном ящике с O ₂ / H ₂ Концентрация O меньше чем 0,5 промилле.

Профиль высоты AFM и вставка изображения травления BN после Ar RIE за 10 с.

Результаты и обсуждение

Изображение поперечного сечения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изготовленного контакта Al – Ni – Pt – BP. в. Резкий Интерфейс BP – Pt виден на картинке, хотя 2D кристаллическая структура БП нечеткая из-за повреждений, нанесенных во время пробоподготовка ПЭМ.b показывает анализ элементов EDS вдоль стопки Al – Ni – Pt – BP – SiO ₂ . Азот или бор не обнаружены (выше уровня обнаружения предел), подтверждая, что барьерный слой BN полностью вытравлен прочь. Вдоль стека углеродный сигнал незначителен, показывая, что органический остаток [полидиметилсилоксан (PDMS) или поли (метилметакрилат) (PMMA)] был удален из-за процесса передачи. Тем не мение, в составе фосфора все еще обнаруживается значительное количество кислорода пласт, хотя БП был полностью изолирован от О ₂ и H ₂ O путем пассивации BN – Al ₂ O ₃ .Эффективность пассивации БН – Al ₂ O ₃ на АД подтверждено нестационарными рамановскими и электрическими измерениями, как показано во вспомогательной информации (ускорено данные экспериментов по деградации БП, БП – БН и БП – БН – Al ₂ O ₃ и временная зависимость I — V характеристик полевых транзисторов БП с пассивированием BN – Al ₂ O ₃ ). Между тем, гистерезис I — V также был уменьшен до 0.25 В после пассивации BN – Al ₂ O ₃ . ¹⁵ Как в результате очень вероятно, что кислород поступает, потому что воздействия воздуха между обработкой сфокусированного ионного пучка и ПЭМ изображения. Если кислородное загрязнение произошло во время отшелушивания и обработки, более высокую концентрацию кислорода можно было бы ожидать на Pt – BP чем на интерфейсе BP – SiO ₂ .

(а) Поперечное сечение ПЭМ-изображение контакта Pt – BP и диаграмма состава R _c .(б) Элемент анализ контакта Pt – BP с помощью EDS. Сигнал углерода, бора, или азот ниже предела обнаружения. (c) I — V кривые передачи полевых транзисторов BP с различными металлами контактов: Pt, Ni и Ti. (d) Сопротивление TLM БП с контактом Pt при нулевом затворе. предвзятость. Сопротивление контактов составляет 0,58 кОм · мкм, что в семь раз меньше заявленного ранее значения.

Подбор контактного металла с соответствующей рабочей функцией является критическим первым шагом к снижению R _c .Были исследованы три контактных металла с различными рабочими функциями: Pt (∼5,6 эВ), Ni (∼5,2 эВ) и Ti (∼4,33 эВ). c показывает передачу кривые полевых транзисторов БП с разными металлами истока / стока. Ясно, что Полевой транзистор с контактами BP – Pt показал лучшие результаты, тогда как BP – Ti проявил худшее. Интересно, что устройство с контактами Ti показывает симметричный транспорт электронов и дырок, что указывает на то, что фермиевский уровень на поверхности БП и работа выхода Ti совмещены около середина запрещенной зоны.Этот результат хорошо согласуется с теоретическая зонная диаграмма контакта BP – Ti, в которые E _c и E _v малослойных БП составляют примерно 4,1–4,2 и 4,5–4,7 эВ, соответственно. ¹⁹ Примечательно, что есть большой разница в пороговом напряжении ( В, , _, ) между этими устройствами с разными контактными металлами. Это результат передачи заряда с плавающего канала БП на контакт металл, где электроны стремятся перемещаться из области с высоким потенциалом (Канал БП) в область низкого потенциала (металл).Следовательно, V _t становится более положительным, когда более высокая работа выхода (т. е. с более низким потенциалом) используется металл.

Контактное сопротивление контактов BP – Pt измеряется с метод длины переноса (TLM) на образце толщиной 12 нм. На нуле смещение обратного затвора, извлеченное R _c составляет около 0,58 кОм · мкм, а сопротивление листа около 6,1 кОм / квадрат, как показано на d. Обнадеживает то, что измеренный R _c чистого контакта БП – металл составляет 1/7 от ранее измеренного. сообщил R _c для контактов BP – Pd. ³² Поскольку Pt и Pd имеют схожие рабочие функции, высота барьера Шоттки и R _сб два контакта должны быть похожими. Таким образом, значительное снижение от общей суммы R _c за счет взноса других факторов сопротивления: R _t и R _inter , которые мы рассмотрим позже в этой статье.

Передаточные и выходные характеристики полевого транзистора на БП толщиной 7 нм. с контактом Pt показаны на а, б.Благодаря усовершенствованию R _c , устройство с длиной канала 200 нм показывает I _на до 940 мкА / мкм при В _ds из −2 В. знания, это самый высокий I _на достигнутый среди всех 2D полевые транзисторы на основе полупроводников. Однако I _на / I _от составляет около ∼10 ³ при небольшом смещении стока (−0,1 В) и уменьшается примерно до ∼20 при большом смещении стока (−1 В). I _off увеличивается до 200 мкА / мкм при смещении стока -2 V, а ток стока в b увеличивается почти линейно с В _ds и не достигает насыщения. Аномально высокий I _от и явления ненасыщения никогда не наблюдались. сообщается для полевых транзисторов BP. Это явление можно объяснить следующим образом. Во-первых, многослойный БП имеет небольшую ширину запрещенной зоны, приближающуюся к объемной величине 0,35 эВ, а полевые транзисторы БП являются транзисторами с барьером Шоттки, то есть наблюдаемые электрические характеристики являются результатом как канал и, что более важно, контакты.В принципе, общая ток стока транзистора с барьером Шоттки содержит (i) дырочный ток от истока к стоку и (ii) электронного тока от стока к истоку. Как видно из полосовой диаграммы в с, в состоянии ВКЛ большая часть стока current — это ток дырки, вводимый с клеммы источника. В качестве пока дыры способны преодолеть исходный барьер Шоттки, их можно собирать со стороны слива. Другими словами, общая текущий уровень в основном определяется закачкой дырки в источнике.В выключенном состоянии потенциал канала снижается затвором. напряжение для уменьшения закачки в отверстие в источнике; однако эти ворота bias также снижает потенциал области канала около стока Терминал. Между тем, потенциал слива увеличивается за счет отрицательного смещение стока, которое приводит к резкому градиенту потенциала. Как результат, электроны на выводе стока могут быть введены в проводимость полосы канала путем туннелирования через треугольный барьер. В других словами, отключив прямой дырочный ток, обратный электрон ток включается смещением верхнего затвора.Действительно, это явление универсален для всех транзисторов с барьером Шоттки с верхним затвором. Тем не мение, вероятность обратного туннелирования на стороне стока обратно пропорциональна к высоте барьера Шоттки для неосновных носителей. Как следствие, в узкозонных полупроводниках наблюдается высокий обратный туннельный ток. Для широкозонных 2D-полупроводников, таких как MoS ₂ , барьер Шоттки для отверстий настолько велик, что туннелирование ток можно игнорировать в выключенном состоянии.Пока что характеристики устройства были хорошо объяснены транспортной моделью. Однако для узких В устройствах с запрещенной зоной БП возникают важные вопросы: что происходит? в устройствах БП как с низким I _выкл и I _на , как указано в литературе, и где это несоответствие откуда?

(а – г) Полевые транзисторы БП без барьеров туннелирования БН у истока / стока контактов и (e – h) полевые транзисторы БП с барьерами туннелирования BN на обоих контакты истока / стока.(а) кривые передачи и (б) выходные кривые BP PMOSFET толщиной 7 нм без барьеров для туннелирования BN. Ленточная диаграмма из (c) состояния ВКЛ и (d) состояния ВЫКЛ для устройств без барьеров BN. (e) Передаточные кривые и (f) выходные кривые для полевого PMOSFET BP толщиной 7 нм с двухслойными туннельными преградами из БН. Зонная диаграмма состояния (g) ON и (h) состояние ВЫКЛ для устройств с барьерами BN.

Возможное объяснение отсутствия высокого реверса туннелирование Актуальной особенностью устройств БП, о которых сообщалось ранее, является наличие туннельного барьер на интерфейсе исток / сток.Этот дополнительный туннельный барьер может происходить из-за поверхностного оксида фосфора / кислоты, образовавшегося во время изготовления. Наличие этого туннельного барьера объясняет, почему предыдущие Работы сообщили намного выше R _c чем то, что мы сообщаем в этой работе. С другой стороны, этот туннельный барьер блокирует обратный туннельный ток электронов, что приводит к низкому значению I _от . Для проверки этой гипотезы мы сфабриковали Полевые транзисторы на БП с тонким слоем BN, намеренно оставленные на истоке / стоке контакты.е, е показывает передаточные и выходные характеристики полевого транзистора BP с тонким К контактам истока / стока добавлен барьер BN (два слоя). Геометрия этого устройства такое же, как и устройство без барьера БН. Тем не мение, есть несколько явных различий между электрическими характеристиками из этих двух устройств: (i) во включенном состоянии I _на устройства с контактами BN в 10 раз ниже, чем прибор без БН. Уменьшение I _на связано с дополнительным сопротивлением туннельного барьера R _t .(ii) В линейной области кривая устройства I _d — V _d с BN более линейно, чем устройство без BN из-за уровня Ферми депиннинг. ^33,34 г показана ленточная диаграмма устройства с Контакты BN во включенном состоянии. Высота барьера Шоттки становится меньше с депиннированием уровня Ферми, и кривые I _d — V _d становятся более линейными. Однако R _т значительно увеличивается с введение барьера БН в контакты.В результате всего R _c ( R _t + R _sb + R _inter ) устройство с BN намного больше, чем устройство без Б.Н. Это также говорит нам о том, что линейные кривые I _d — V _d не обязательно указывают на то, что был достигнут омический контакт. (iii) В насыщении область, ток достигает насыщения при В _ds < −0.5 В. Ниже этого напряжения падение на туннельном барьере становится доминирующим. Увеличение V _d больше не улучшает ток стока. (iv) В выключенном состоянии значение I _off уменьшается в 400 раз при V _ds , равном -1 В из-за наличия барьера BN. на выводе стока, что уменьшает обратное туннелирование электронов Текущий. час показана ленточная диаграмма устройства с контактами BN в выключенном состоянии. Короче говоря, наличие туннельного барьера на контактах исток / сток уменьшает I _на , приводит к линейному I — В (депиннинг уровня Ферми), приводит к току насыщение ( В _d падение на контактах), и уменьшает I _off (блокирует обратное туннелирование Текущий).Все эти наблюдения с наших аппаратов БП с барьерами БН. хорошо согласуются с характеристиками ранее сообщенных Устройства БП, в которых не использовался какой-либо метод пассивации, чтобы избежать образование окисления фосфора на контактах. ^{7,8,14,16,21,32} В результате для Шоттки барьерные транзисторы, крайне важно различать вклад контактов и собственного канала в общие электрические характеристики.

Воспользовавшись преимущества наличия чистого БП – металла контакт (высокий I _на ) и барьерный контакт BN (низкий I _от ), мы продемонстрировали асимметричный структура контактов исток / сток для улучшения I _{по сравнению с} , при сохранении высокого уровня I _на насколько возможно.Хорошо известно, что в полевых транзисторах , , _и в основном контролируется электростатикой источника. Терминал. Асимметрия между истоком и стоком может использоваться для подавления либо электронный, либо дырочный ток, в зависимости от знака напряжение стока. ³⁵⁻³⁷ Для транзистора с барьером Шоттки БП большинство ток (т.е. прямой дырочный ток) определяется потенциалом барьер от металла до области контакта с источником. Обратный электрон ток можно подавить, добавив туннельный барьер на стоке терминал без потери слишком большого тока отверстия.a – c показывает схематическую диаграмму и конфигурация измерения для полевого транзистора БП без барьеров БН (прибор A) и полевой транзистор на БП только с одним барьером из BN (толщина двухслойного слоя) на стоке (устройство B) или истоке (устройство B ‘). Устройство А и устройство B (B ‘) были изготовлены из той же чешуйки BP для уменьшить потенциальную изменчивость между хлопьями. Вывод и передача кривые устройства A показаны на d, g. I _на и I _на составляют около 638 ​​и 84 мкА / мкм, соответственно, при В _ds из −1.6 V для прибора без БН. С туннельным барьером БН на стоке сбоку, I _off уменьшается в раз от 120 до 700 нА / мкм при В _ds из −1,6 В, тогда как I _на все еще составляет около 80% устройства без барьера БН. Поскольку I _на в основном определяется контактом источника, барьером BN на сток существенного влияния не оказывает. f, i показывает выход и передачу кривые устройства B ‘, которое имеет барьер BN на выводе источника.Как и ожидалось, устройство показывает гораздо меньшие I _на 153 мкА / мкм, а также имеет ток насыщения. Мы пришли к выводу, что ток обратного туннелирования электронов или высокий ток I _от полевых транзисторов BP может быть значительно уменьшено за счет асимметричной структуры контакта истока / стока и контакта инженерное дело.

Устройство A: нет туннельного барьера BN на истоке / стоке. Устройство B: с двухслойный туннельный барьер БН только на сливе. Устройство B ′: с Туннельный барьер БН только у источника.Принципиальная схема для (а) устройства A, (b) устройство B и (c) устройство B ‘. Выходные кривые для устройства (d) A, (e) устройство B и (f) устройство B ‘. Кривые передачи и полосы схемы для (g) устройства A, (h) устройства B и (i) устройства B ‘. Устройство A и устройство B (B ‘) были изготовлены из одинаковых хлопьев BP.

В целом используемые стратегии в этой работе может быть применен к другие полевые транзисторы типа Шоттки. Стратегии (i) включают BN или другие эффективные пассивация экологически чувствительных материалов; (ii) выберите контакт металлы с подходящей работой выхода для переноса электронов или дырок; и (iii) управление / подавление электронного или дырочного тока путем настройки контактный туннельный барьер.В качестве примера BP мы успешно использовали эти методы для улучшения электрических характеристик БП. Полевые транзисторы.

Характер деградации многослойных полевых транзисторов с черным фосфором в условиях окружающей среды: стратегия проектирования контактного сопротивления в транзисторах BP

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.04.126Получить права и контент

Основные моменты

•

Механизм электрического разрушения в канале и контакте в полевом транзисторе с черным фосфором предлагается отдельно.

•

Отображаются различные электрические параметры, зависящие от времени (подвижность, пороговое напряжение, контактное сопротивление) до 2000 мин.

•

Выделены эффекты легирования кислородом и эффекты окисления поверхности в транзисторах с черным фосфором.

Abstract

Черный фосфор (BP) был предложен в качестве будущего оптоэлектронного материала из-за его прямой запрещенной зоны и отличных электрических характеристик.Однако молекулы кислорода (O ₂ ) и воды (H ₂ O) в условиях окружающей среды могут создавать нежелательные пузырьки на поверхности БП, что отрицательно сказывается на его превосходных внутренних свойствах. Здесь мы сообщаем о характере электрического разрушения механически расслоенного полевого транзистора (FET) BP с точки зрения канала и контакта отдельно. Различные электрические параметры, такие как пороговое напряжение ( В, _TH ), подвижность носителя ( мк, ), контактное сопротивление ( R _CT ) и сопротивление канала ( R _CH ), оцениваются Метод функции Y ( YFM ) по времени (до 2000 мин).Установлено, что R _CT уменьшается, а затем увеличивается со временем; тогда как поведение R _CH наоборот в условиях окружающей среды. Мы связываем эти эффекты с кислородным легированием на контакте и эффектами поверхностного окисления на поверхности БП соответственно.

Ключевые слова

Черный фосфор

Характер деградации

Подвижность носителя

Пороговое напряжение

Контактное сопротивление

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2017 Опубликовано Elsevier B.V.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

(PDF) Механизмы колебаний тока в амбиполярных полевых транзисторах с черным фосфором

4 QH Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, JN Coleman и

MS Strano , Nat. Нанотехнологии, 2012, 7, 699–712.

5 K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys.

Rev. Lett., 2010, 105, 136805.

6 H. Wang, L. Yu, Y. Lee, W. Fang, A. Hsu, P. Herring,

M.Чин, М. Дубей, Л. Ли, Дж. Конг и Т. Паласиос, 2012 г.

IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 10–13

декабрь 2012 г.

7 А. Рай, А. Валсарадж, HCP Movva, A. Roy, R. Ghosh,

S. Sonde, S. Kang, J. Chang, T. Tvedi, R. Dey, S. Guchhait,

S. Larentis, LF Register, E. Tutuc и С. К. Банерджи, Нано

Lett., 2015, 15, 4329–4336.

8 Б. Радисавлевич, А. Раденович, Й. Бривио, В. Джакометти и

А.Кис, Нат. Нанотехнологии, 2011, 6, с. 147–150.

9 H. Wang, L. Yu, Y.-H. Ли, Ю. Ши, А. Сюй, М. Л. Чин,

L.-J. Ли, М. Дубей, Дж. Конг и Т. Паласиос, Nano Lett., 2012,

12, 4674–4680.

10 Д. Красножон, Д. Лембке, К. Найфеллер, Ю. Леблебичи и

А. Кис, Nano Lett., 2014, 14, 5905–5911.

11 R. Cheng, S. Jiang, Y. Chen, Y. Liu, N. Weiss, H.-C. Cheng,

H. Wu, Y. Huang и X. Duan, Nat. Commun., 2014, 5, 5143.

12 X.Ли, Л. Ян, М. Си, С. Ли, М. Хуанг, П. Е и Ю. Ву, Adv.

Материалы, 2015, 27, 1547–1552.

13 Д. Дж. Лейт, Ю.-К. Хуанг, Б. Лю, Дж. Ачарья, С. Н. Широдкар,

Дж. Луо, А. Ян, Д. Чарльз, У. В. Вагмаре и

В. П. Дравид, ACS Nano, 2013, 7, 4879–4891.

14 X. Ling, H. Wang, S. Huang, F. Xia and M. S. Dresselhaus,

Proc. Нати. Акад. Sci. США, 2015, 112, 4523–4530.

15 Л. Ли, Ю. Ю, Г. Дж. Е, К. Ге, Х. Оу, Х. Ву, Д.Feng,

X. H Chen и Y. Zhang, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 372–

377.

16 H. Liu, AT Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek и

PD Ye, ACS Nano, 2014, 8 , 4033–4041.

17 L. Kou, C. Chen, S. C. Smith, J. Phys. Chem. Lett., 2015,

6, 2794–2805.

18 F. Xia, H. Wang и Y. Jia, Nat. Commun., 2014, 5, 4458.

19 Л. Ли, Г. Дж. Е, В. Тран, Р. Фей, Г. Чен, Х. Ван, Дж. Ван,

К. Ватанабэ, Т.Танигучи и Л. Ян, Нат. Нанотехнологии,

2015, 10, 608–613.

20 X. Chen, Y. Wu, Z. Wu, Y. Han, S. Xu, L. Wang,

W. Ye, T. Han, Y. He, Y. Cai и N. Wang, Nat . Commun.,

2015, 6, 7315.

21 N. Gillgren, D. Wickramaratne, Y. Shi, T. Espiritu, J. Yang,

J. Hu, J. Wei, X. Liu, Z. Мао и К. Ватанабе, 2D Mater.,

2015, 2, 011001.

22 SP Koenig, RA Doganov, H. Schmidt, AC Neto and

B. Oezyilmaz, Appl.Phys. Lett., 2014, 104, 103106.

23 H. Wang, X. Wang, F. Xia, L. Wang, H. Jiang, Q. Xia,

M. L. Chin, M. Dubey and S.-J. Han, Nano Lett., 2014, 14,

6424–6429.

24 Н. Харатипур, М. К. Роббинс и С. Дж. Кестер, IEEE

Письма в электронном устройстве, 2015, 36, 411–413.

25 Дж. Д. Вуд, С. А. Уэллс, Д. Джаривала, К.-С. Чен, Э. Чо,

В. К. Сангван, Х. Лю, Л. Дж. Лаухон, Т. Дж. Маркс и

М. К. Херсам, Nano Lett., 2014, 14, 6964–6970.

26 Л. Хан, А. Т. Нил, С. Менгвей, Д. Ючен и П. Д. Йе,

IEEE Electron Device Lett., 2014, 35, 795–797.

27 W. Zhu, M. N. Yogeesh, S. Yang, S.H. Aldave, J.-S. Ким,

С. Сонд, Л. Тао, Н. Лу и Д. Акинванде, Nano Lett., 2015,

15, 1883–1890.

28 I. Heller, S. Chatoor, J. Männik, M. A. G. Zevenbergen,

J. B. Oostinga, A. F. Morpurgo, C. Dekker и S. G. Lemay,

Nano Lett., 2010, 10, 1563–1567.

29 А.Н. Пал, С. Гхатак, В. Кочат, Э. Снеха, А. Сампаткумар,

С. Рагхаван и А. Гош, ACS Nano, 2011, 5,2075–2081.

30 Я. Чжан, Э. Э. Мендес, Х. Ду, ACS Nano, 2011, 5,

8124–8130.

31 Г. Лю, С. Румянцев, М. Шур, А. А. Баландин, Прил.

Phys. Lett., 2012, 100, 033103.

32 А. Каверзин, А. С. Майоров, А. Шитов, Д. Хорселл, Phys.

Ред. B: Конденс. Дело, 2012, 85, 075435.

33 Баландин А.А., Нац.Нанотехнологии, 2013, 8, 549–555.

34 С. Румянцев, Г. Лю, В. Стилман, М. Шур и

А. Баландин, J. Phys .: Condens. Дело, 2010, 22, 395302.

35 Я.-М. Лин и П. Авурис, Nano Lett., 2008, 8, 2119–2125.

36 A. N. Pal, A. Ghosh, Appl. Phys. Lett., 2009, 95, 082105.

37 J. Na, M.-K. Джу, М. Шин, Дж. Ха, Ж.-С. Ким, М. Пяо,

J.-E. Джин, Х.-К. Джанг, Х. Дж. Чой и Дж. Х. Шим, Nanoscale,

2014, 6, 433–441.

38 Дж.Рентерия, Р. Самнакай, С. Л. Румянцев, К. Цзян,

П. Голи, М. С. Шур и А. А. Баландин, Appl. Phys. Lett.,

2014, 104, 153104–153108.

39 VK Sangwan, HN Arnold, D. Jariwala, TJ Marks,

LJ Lauhon and MC Hersam, Nano Lett., 2013, 13, 4351–

4355.

40 J. Na, YT Lee, JA Lim , DK Hwang, G.-T. Kim,

W. K. Choi and Y.-W. Песня, ACS Nano, 2014, 8, 11753–

11762.

41 Y. Du, H.Лю, Ю. Дэн, П. Д. Е, ACS Nano, 2014, 8,

10035–10042.

42 А. Д. Франклин, Science, 2015, 349, aab2750.

43 Д. Дж. Перелло, С. Х. Чае, С. Сонг и Ю. Х. Ли, Nat.

Commun., 2015, 6, 7809.

44 SM Sze и KK Ng, Physics of Semiconductor Devices,

John Wiley & Sons, 2006.

45 S. Das, M. Demarteau и A. Roelofs, ACS Нано, 2014, 8,

11730–11738.

46 F. Hooge, IEEE Trans. Электронные устройства, 1994, 41, 1926–1935.

47 L. Vandamme, X. Li и D. Rigaud, IEEE Trans. Электрон

Приборы, 1994, 41, 1936–1945.

48 L. K. Vandamme и F. Hooge, IEEE Trans. Электрон

Приборы, 2008, 55, 3070–3085.

49 BC Wang, YY Lu, SJ Chang, JF Chen, SC Tsai,

CH Hsu, CW Yang, CG Chen, O. Cheng и

PC Huang, IEEE Electron Device Lett., 2013, 34, 151– 153.

50 W. Chengqing, J. Yu, X. Yong-Zhong, Z. Xing, N. Singh,

S.К. Рустаги, Л. Го-Цян и К. Дим-Ли, IEEE Electron

Device Lett., 2009, 30, 1081–1083.

51 Я. Лай, Х. Ли, Д. К. Ким, Б. Т. Диролл, К. Б. Мюррей и

К. Р. Каган, ACS Nano, 2014, 8, 9664–9672.

Paper Nanoscale

3578 | Nanoscale, 2016,8, 3572–3578 Этот журнал принадлежит Королевскому химическому обществу, 2016 г.

Опубликован 8 января 2016 г. Загружено Хуачжунским университетом науки и технологий 29.06.2018 8 : 14: 55 утра.

Гетеропереход Ван-дер-Ваальса BP / InSe для туннельных полевых транзисторов

1

Ионеску AM, Riel H (2011) Туннельные полевые транзисторы как энергоэффективные электронные переключатели.Природа 479: 329–337. https://doi.org/10.1038/nature10679

CAS Статья Google ученый

2

Lv YW, Qin WJ, Wang CL, Liao L, Liu XQ (2019) Последние достижения в области низкоразмерных туннельных полевых транзисторов на основе гетероперехода. Adv Electron Mater 5: 1800569. https://doi.org/10.1002/aelm.201800569

CAS Статья Google ученый

3

Seabaugh AC, Zhang Q (2010) Низковольтные туннельные транзисторы для запредельной CMOS логики.Proc IEEE 98: 2095–2110. https://doi.org/10.1109/JPROC.2010.2070470

CAS Статья Google ученый

4

Yoon YJ, Seo JH, Cho S, Kwon HI, Lee JH, Kang IM (2016) Туннельный полевой транзистор на основе гетероперехода Ge / GaAs размером менее 10 нм с функцией вертикального туннелирования для сверхмалой мощности Приложения. J Semicond Tech Sci 16: 172–178. https://doi.org/10.5573/jsts.2016.16.2.172

Статья Google ученый

5

Lattanzio L, De Michielis L, Ionescu AM (2012) Дополнительный германиевый электронно-дырочный двухслойный туннель для суб-0.5-в. Операция. IEEE Electron Dev Lett 33: 167–169. https://doi.org/10.1109/led.2011.2175898

CAS Статья Google ученый

6

Padilla JL, Medina-Bailon CM, Marquez C, Sampedro C, Donetti L, Gamiz F, Ionescu AM (2018) Воздействие туннелирования утечки затвора на полевой транзистор inas / gasb с гетеропереходом электронно-дырочного двухслойного туннельного эффекта. IEEE Tran Electron Dev 65: 4679–4686. https://doi.org/10.1109/ted.2018.2866123

CAS Статья Google ученый

7

Shih C, Chien ND (2011) Туннельный полевой транзистор размером менее 10 нм с градиентным гетеропереходом si / ge.IEEE Electron Dev Lett 32: 1498–1500. https://doi.org/10.1109/LED.2011.2164512

CAS Статья Google ученый

8

Toh E-H, Wang GH, Chan L, Samudra G, Yeo Y-C (2007) Физика устройства и руководящие принципы проектирования туннельного полевого транзистора с двойным затвором и гетеропереходом кремний-германий. Appl Phys Lett 91: 243505. https://doi.org/10.1063/1.2823606

CAS Статья Google ученый

9

Roy T, Tosun M, Cao X, Fang H, Lien DH, Zhao P, Chen YZ, Chueh YL, Guo J, Javey A (2015) Двойные ворота mos ₂ / wse ₂ фургон туннельные диоды и транзисторы дер Ваальса.ACS Nano 9: 2071–2079. https://doi.org/10.1021/nn507278b

CAS Статья Google ученый

10

Рой Т., Тосун М., Хеттик М., Ан Г.Х., Ху К., Джави А. (2016) 2D – 2D туннельные полевые транзисторы с использованием гетероструктур WSe ₂ / SnSe ₂ . Appl Phys Lett 108: 083111. https://doi.org/10.1063/1.4942647

CAS Статья Google ученый

11

Jiang XW, Luo JW, Li SS, Wang LW (2015) Насколько хороши однослойные туннельные полевые транзисторы на основе дихалькогенидов переходных металлов при длине волны менее 10 нм? Имитационное исследование ab initio.In: Proceedings of the 2015 IEEE international electronic device meeting (IEDM) Washington, DC, USA

12

Yan X, Liu CS, Li C, Bao WZ, Ding SJ, Zhang DW, Zhou P (2017) Tunable SnSe2 / WSe2 гетероструктурный туннельный полевой транзистор. Маленький 13: 1701478. https://doi.org/10.1002/smll.201701478

CAS Статья Google ученый

13

Sarkar D, Xie XJ, Liu W, Cao W, Kang JH, Gong YJ, Kraemer S, Ajayan PM, Banerjee K (2015) Субтермионный туннельный полевой транзистор с атомарно тонким каналом.Природа 526: 91–95. https://doi.org/10.1038/nature15387

CAS Статья Google ученый

14

Szabo A, Koester SJ, Luisier M (2015) Ab-initio моделирование гетеротуннельных транзисторов Ван-дер-Ваальса mote2-sns2 для маломощной электроники. IEEE Electron Dev Lett 36: 514–516. https://doi.org/10.1109/led.2015.2409212

CAS Статья Google ученый

15

Li M, Esseni D, Nahas JJ, Jena D, Xing HG (2015) Двухмерные межслойные туннельные полевые транзисторы с гетеропереходом (тонкие полевые транзисторы).IEEE J Electron Dev Soc 3: 206–213. https://doi.org/10.1109/jeds.2015.23

CAS Статья Google ученый

16

Li H, Lu J (2019) Вертикальные туннельные транзисторы размером менее 10 нм на основе гомоперехода слоистого черного фосфора. Appl Surf Sci 465: 895–901

CAS Статья Google ученый

17

Li H, Shi B, Pan Y, Li J, Xu L, Zhang X, Pan F, Lu J (2018) Однослойные туннельные транзисторы из черного фосфорена толщиной менее 5 нм.Нанотехнологии 29: 485202

Статья Google ученый

18

Li H, Tie J, Li J, Ye M, Zhang H, Zhang X, Pan Y, Wang Y, Quhe R, Pan F, Lu J (2018) Высокопроизводительный однослойный черный суб-10 нм фосфориновые туннельные транзисторы. Nano Res 11: 2658–2668. https://doi.org/10.1007/s12274-017-1895-6

CAS Статья Google ученый

19

Лю Ф., Ван Дж., Гуо Х. (2016) Влияние краевых состояний на характеристики устройства полевых транзисторов с туннельным туннельным переходом на фосфореновом гетеропереходе.Наномасштаб 8: 18180–18186. https://doi.org/10.1039/c6nr05734a

CAS Статья Google ученый

20

Kim S, Myeong G, Park J, Watanabe K, Taniguchi T, Cho S (2020) Однослойный гексагональный туннельный барьерный контакт из нитрида бора для маломощных туннельных полевых транзисторов с гетеропереходом с черным фосфором. Nano Lett 20: 3963–3969. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01115

CAS Статья Google ученый

21

Kim S, Myeong G, Shin W, Lim H, Kim B, Jin T, Chang S, Watanabe K, Taniguchi T, Cho S (2020) Туннельный полевой транзистор с черным фосфором с контролируемой толщиной для маломощных выключатели питания.Nat Nanotechnol 15: 203–206. https://doi.org/10.1038/s41565-019-0623-7

CAS Статья Google ученый

22

Wu P, Ameen T, Zhang HR, Bendersky LA, Ilatikhameneh H, Klimeck G, Rahman R, Давыдов А.В., Аппенцеллер Дж. (2019) Дополнительные туннельные полевые транзисторы с черным фосфором. ACS Nano 13: 377–385. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b06441

CAS Статья Google ученый

23

Li H, Xu PP, Xu L, Zhang ZY, Lu J (2019) Полевые транзисторы с туннельным туннелированием с отрицательной емкостью на основе монослоя арсенена, антимонена и висмутена.Semicond Sci Technol 34: 085006. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab2cd8

CAS Статья Google ученый

24

Чанг Дж. (2018) Новые антимоненовые туннельные полевые транзисторы, использующие резкий переход от полупроводника к металлу в однослойных и многослойных антимоненовых гетероструктурах. Наномасштаб 10: 13652–13660. https://doi.org/10.1039/c8nr03191f

CAS Статья Google ученый

25

Li H, Xu PP, Lu J (2019) Туннельные полевые транзисторы с длиной волны менее 10 нм на основе монохалькогенидов IV группы.Наномасштаб 11: 23392–23401. https://doi.org/10.1039/c9nr07590a

CAS Статья Google ученый

26

Xu PP, Liang JK, Li H, Liu FB, Tie J, Jiao ZW, Luo J, Lu J (2020) Пределы производительности устройства и отрицательная емкость однослойных туннельных полевых транзисторов GeSe и GeTe. RSC Adv 10: 16071–16078. https://doi.org/10.1039/d0ra02265a

CAS Статья Google ученый

27

Li H, Liang JK, Xu PP, Luo J, Liu FB (2020) Вертикально уложенные гомопереходы SnSe и отрицательная емкость для быстрых маломощных туннельных транзисторов.RSC Adv 10: 20801–20808. https://doi.org/10.1039/d0ra03279d

CAS Статья Google ученый

28

Wang W, Sun Y, Wang H, Xu HS, Xu M, Jiang ST, Yue GS (2016) Исследование легкого легирования и полевого транзистора, туннелирующего диэлектрические углеродные нанотрубки с гетерозатвором, для усовершенствованных устройств и схем представление. Semicond Sci Tech 31: 035002. https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/3/035002

CAS Статья Google ученый

29

Tahaei SH, Ghoreishi SS, Yousefi R, Aderang H (2019) Вычислительное исследование полевого транзистора с туннельной гетероструктурой из углеродных нанотрубок.J Electron Mater 48: 7048–7054. https://doi.org/10.1007/s11664-019-07513-y

CAS Статья Google ученый

30

Tamersit K (2020) Расчетное исследование полевого транзистора с туннельным p-n углеродными нанотрубками. IEEE Trans Electron Dev 67: 704–710. https://doi.org/10.1109/ted.2019.2957050

CAS Статья Google ученый

31

Lu SC, Zhu MM, WJ, (2016) Новые вертикальные гетеро- и гомопереходные туннельные полевые транзисторы на основе многослойных 2D-кристаллов.2D Mater 3: 011010. https://doi.org/10.1088/2053-1583/3/1/011010

CAS Статья Google ученый

32

Nasir SNFM, Ullah H, Ebadi M, Tahir AA, Sagu JS, Mat Teridi MA (2017) Новые взгляды на гетероструктуру se / bivo4 для фотоэлектрохимического расщепления воды: комбинированное экспериментальное и dft исследование. J. Phys Chem. C 121: 6218–6228. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b01149

CAS Статья Google ученый

33

Wei Y, Wang F, Zhang W, Zhang X (2019) Модуляция электрического поля электронных свойств в ван-дер-ваальсовом гетеропереходе фосфорин II типа / PbI2.Phys Chem Chem Phys 21: 7765–7772. https://doi.org/10.1039/C9CP00733D

CAS Статья Google ученый

34

El Mouhi R, El Khattabi S, Hachi M, Fitri A, Benjelloun AT, Benzakour M, McHarfi M, Bouachrine M (2019) DFT и TD-DFT расчеты тиено [2,3-b] индола- составы на основе для применения в солнечных элементах с объемным органическим гетеропереходом (BHJ). Res Chem Intermediat 45: 1327–1340. https://doi.org/10.1007/s11164-018-3674-8

CAS Статья Google ученый

35

Lacerda LHdS, de Lazaro SR (2017) Изоморфное замещение и промежуточные уровни энергии: новое приложение моделирования DFT и теории полупроводников для описания интерфейса p – n-переходов в гетероструктурах.Физический статус Solidi B 254: 1700119. https://doi.org/10.1002/pssb.20170011

Статья Google ученый

36

Zhao X, Bo M, Huang Z, Zhou J, Peng C, Li L (2018) Релаксация гетеропереходных связей и электронная реконфигурация 2D-материалов на основе WS2 и MoS2 с использованием BOLS и DFT. Appl Surf Sci 462: 508–516. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.08.139

CAS Статья Google ученый

37

Li L, Yu Y, Ye GJ, Ge Q, Ou X, Wu H, Feng D, Chen XH, Zhang Y (2014) Полевые транзисторы с черным фосфором.Nat Nanotechnol 9: 372–377. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.35

CAS Статья Google ученый

38

Qiao J, Kong X, Hu Z-X, Yang F, Ji W (2014) Высокоподвижная транспортная анизотропия и линейный дихроизм в многослойном черном фосфоре. Нац Коммуна 5: 4475. https://doi.org/10.1038/ncomms5475

CAS Статья Google ученый

39

Mudd GW, Svatek SA, Ren T, Patane A, Makarovsky O, Eaves L, Beton PH, Ковалюк З.Д., Лашкарев Г.В., Кудринский З.Р., Дмитриев А.И. (2013) Настройка ширины запрещенной зоны расслоенных насекомых-нанолистов с помощью квантового ограничения .Adv Mater 25: 5714–5718. https://doi.org/10.1002/adma.201302616

CAS Статья Google ученый

40

Бандурин Д.А., Тюрнина А.В., Ю.Г.Л., Мищенко А., Золёми В., Морозов С.В., Кумар Р.К., Горбачев Р.В., Кудринский З.Р., Пеццини С., Ковалюк З.Д., Цейтлер Ю., Новоселов К.С., Патане А., Ивз Л, Григорьева И. В., Фалько В. И., Гейм А. К., Цао Ю. (2017) Высокая подвижность электронов, квантовый эффект Холла и аномальный оптический отклик в атомарно тонком InSe.Nat Nanotechnol 12: 223–227. https://doi.org/10.1038/nnano.2016.242

CAS Статья Google ученый

41

QuantumATK, версия P-2019.03. https://www.synopsys.com/silicon/quantumatk.html

42

Smidstrup S, Markussen T, Vancraeyveld P, Wellendorff J, Schneider J, Gunst T, Verstichel B, Stradi D, Хомяков П.А., Вей-Хансен UG, Lee ME, Chill ST, Rasmussen F, Penazzi G, Corsetti F, Ojanpera A, Jensen K, Palsgaard MLN, Martinez U, Blom A, Brandbyge M, Stokbro K (2020) QuantumATK: интегрированная платформа электронных и атомных технологий. инструменты масштабного моделирования.J Phys Condens Mater 32: 015901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab4007

CAS Статья Google ученый

43

Perdew JP, Burke K, Ernzerhof M (1996) Обобщенное приближение градиента стало проще. Phys Rev Lett 78: 3865

Статья Google ученый

44

Monkhorst HJ (1976) Специальные точки для интеграции зоны Бриллюэна. Phys Rev B 13: 5188–5192

Статья Google ученый

45

Liang Y, Yang L (2015) Нелинейная перенормировка запрещенной зоны, вызванная плазмоном носителя, в двумерных полупроводниках.Phys Rev Lett 114: 063001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.063001

Статья Google ученый

46

Gao S, Yang L (2017) Перенормировка квазичастичной запрещенной зоны в легированных двумерных материалах из многочастичных расчетов. Phys Rev B 96: 155410

Артикул Google ученый

47

Чжан И, Чанг Т.Р., Чжоу Б, Цуй Ю.Т., Ян Х, Лю З., Шмитт Ф, Ли Дж., Мур Р., Чен И, Лин Х, Дженг ХТ, Мо СК, Хуссейн З., Бансил А, Shen ZX (2013) Прямое наблюдение перехода от непрямой запрещенной зоны к прямой в атомарно тонком эпитаксиальном MoSe2.Nat Nanotechnol 9: 111. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.277

CAS Статья Google ученый

48

Quhe R, Qiu L, Zhang Q, Wang Y, Han Z, Jing L, Dong C, Kai L, Yu Y, Lun D, ​​Feng P, Ming L, Jing L (2018) Моделирование квантового транспорта в монослойных фосфореновых транзисторах с длиной волны менее 5 нм. Phys Rev Appl 10: 024022

CAS Статья Google ученый

49

Desai SB, Madhvapathy SR, Sachid AB, Llinas JP, Wang Q, Ahn GH, Pitner G, Kim MJ, Bokor J, Hu C (2016) MoS _{2 транзистора} с длиной затвора 1 нанометр.Наука 354: 99

CAS Статья Google ученый

50

Pan Y, Yang D, Wang Y, Meng Y, Han Z, Quhe R, Zhang X, Li J, Guo W, Li Y (2017) Барьеры Шоттки в двухслойных фосфориновых транзисторах, acs appl. Mater Inter 9: 12694–12705

CAS Статья Google ученый

51

Pan Y, Wang Y, Ye M, Quhe R, Zhong H, Song Z, Peng X, Yu D, Yang J, Shi J (2016) Монослойные контакты фосфор-металл.Chem Mater 28: 2100–2109

CAS Статья Google ученый

52

Zhang X, Pan Y, Ye M, Quhe R, Wang Y, Guo Y, Zhang H, Dan Y, Song Z, Li J, Yang J, Guo W, Lu J (2017) Трехслойный фосфорен -металлические интерфейсы. Nano Res 11: 707–721

Статья Google ученый

53

Гао А, Лай Дж, Ван И, Чжу З., Цзэн Дж, Ю Г, Ван Н., Чен В., Цао Т, Ху В, Сунь Д, Чен Х, Мяо Ф, Ши И, Ван Х ( 2019) Наблюдение явлений баллистической лавины в наноразмерных вертикальных гетероструктурах InSe / BP.Nat Nanotechnol 14: 217–222. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0348-z

CAS Статья Google ученый

54

Аллек С.И., Вонг Б.М. (2016) Несоответствия в электронных свойствах фосфореновых нанотрубок: новые выводы из крупномасштабных расчетов dft. J. Phys Chem Lett. 7: 4340–4345. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b02271

CAS Статья Google ученый

55

Datta S (1995) Электронный транспорт в мезоскопических системах.Издательство Кембриджского университета, Кембридж

Книга Google ученый

56

Ding YM, Shi JJ, Xia CX, Zhang M, Du J, Huang P, Wu M, Wang H, Cen YL, Pan SH (2017) Повышение подвижности дырок в монослое InSe с помощью InSe и черного фосфора гетероструктура.