Использование силовых транзисторов в линейном режиме

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации в области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, — одна из самых непредсказуемых: многие простые решения проявляют себя так, что могут стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в таком режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT силовым транзисторам.

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными проблемами:

1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.
2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных данных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.
3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных силовых транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самой большой проблемой при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход силового транзистора из строя.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток V_GS и от порогового напряжения V_TH:

где k = (μ_eC_OZW)/2L, μ_e — подвижность электронов, C_OZ — емкость оксидного слоя затвора, W — ширина канала, L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μ_e снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение V_TH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

Чем выше значение S, тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать силовой транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения dV_ТН/dT и dk/dT всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2), можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

1. Снижение теплового сопротивления.
2. Снижение напряжения сток-исток.
3. Увеличение тока стока.
4. Снижение коэффициента передачи (а следовательно и k).
5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения dV_ТН/dT.

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции силового транзистора. Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП силовых транзисторов и большинство РЧ МОП силовых транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

На рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения, и поэтому локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи, и силовой транзистор будет температурно-устойчивым.

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT силового транзистора есть внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно, можно сделать вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям компании-производителя силового транзистора. Этот специалист может дать бесценную информацию и советы, которых нет в документации.

Второй этап — это нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, так как модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, потому что эта работа уже скорее всего была выполнена. После того как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

В таблице 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT силовым транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллекторэмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа силового транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Силовые транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса T_C во время отказа составляла около 75 °C. С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175 °C. Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На рис. 3 проиллюстрированы данные из таблицы 1, а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах T_J = 175 °C и T_C = 75 °C и 25 °C. Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур T_C = 25 °C и 75 °C). В большинстве документов публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25 °C. Если полагаться на эти данные, то окажется, что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить силовой транзистор!

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75 °C, он все равно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько силовых транзисторов, для того чтобы найти условия, вызывающие их повреждение.

На рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П силового транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125 °C (ниже температуры, при которой происходит повреждение силового транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании силового транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20 °C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принято значение 125 °C, таким образом, запас надежности составляет 50 °C относительно предельной температуры.

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Далее рассмотрим ОБР-П МОП транзистора APL502J, который был специально создан для работы в линейном режиме.

Рабочие ОБР-П силового транзистора APL502J представлены на рис. 5. По сравнению с APT200 GN60J (рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200 А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1,7 В в разогретом состоянии (1,5 В при комнатной температуре). Более надежный силовой транзистор APL502J при токе 26 A и температуре 125 °C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности, являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график, скорее всего, неадекватен линейному режиму.

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT силового транзистора, необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0 В до 400 В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75 °C или менее может понадобиться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (рис. 4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания рис. 4, следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0,16 A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения силового транзистора по данным из таблицы 1, таким образом, есть хороший запас надежности). При токе заряда 0,16 A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3,75 с. Ускорить заряд, конечно же, можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (то есть когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нет требований по времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения более приемлем.

Обеспечение работы силового транзистора в пределах ОБР-П для статического режима — решение только половины проблемы. Необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, так как напряжение на конденсаторной батарее возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0,16 A, 400 В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

На рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления силового транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеиваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12 °C. Если температура корпуса достигнет 75 °C, то средняя температура перехода должна приблизиться к 75 + 12 = 85 °C, что существенно меньше предельно-допустимого значения 125 °C.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может понадобиться параллельное включение силовых транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400 Вт, 400 В, 20 А и перепад напряжения при полном открытии с током 20 А не более 1 В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75 °C.

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125 °C, воспользуемся кривыми ОБР-П, они представлены на рис. 5. Сначала проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26 А) максимальное значение R_{DS (on)} силового транзистора APL502J составляет 0,090 Ом. При температуре 125 °C значение R_{DS (on)} удваивается и составляет 0,180 Ом у каждого силового транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1 В/20 A = 0,050 Ом. Теперь находим, какое минимальное число силовых транзисторов позволит выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0,180 Ом/0,050 Ом = 3,6. Следовательно, необходимо минимум 4 силовых транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа силовых транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П, определим минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении. В данном случае это 400 В. В случае применения APL502J с температурами корпуса и перехода, 75 °C и 125 °C соответственно, при напряжении 400 В максимальный ток равен 0,2 А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число силовых транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 силовых транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении силовых транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи, несомненно, привела бы к выходу из строя силовых транзисторов.

Наконец, нам осталось решить последнюю проблему при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Она связана с разбросом пороговых напряжений у однотипных силовых транзисторов. В линейном режиме силовые транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый силовой транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которое будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, так как даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах (рис. 7). Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения, в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

Для упрощения сборки и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для линейного режима, но они способны работать и в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный
резистор и датчик температуры
в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор. Тем самым транзистор минимизирует индуктивность и достигает охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

PNP транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Стоит отметить, что транзистор, в котором один полупроводник имеет n-тип и размещен между двумя полупроводниками p-типа, называют PNP-транзистор.

Данное устройство с управлением по току. Это означает, что ток базы контролирует ток эмиттера и коллектора. Транзистор PNP имеет два кристаллических диода, соединенных друг с другом. Левая сторона диода известна как диод на основе перехода эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод на основе коллекторного перехода.

Дырки являются основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора формируется изменением положения дырок, а на выводах — из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в PNP-транзисторе от эмиттера к коллектору.

Буква транзистора PNP указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой. База транзистора PNP всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В PNP-транзисторе электроны перемещаются с базы. Ток, который входит в базу, усиливается на выводах коллектора.

Обозначение на схеме PNP транзистора

Обозначение PNP-транзистора на электрических схемах показано на рисунке ниже. Стрелка внутрь показывает, что направление тока в устройстве PNP типа от эмиттера к коллектору.

Устройство PNP транзистора

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Принцип работы PNP транзистора

Переход эмиттер-база соединен в прямом смещении, благодаря чему эмиттер выталкивает дырки в базу. Дырки и составляют ток эмиттера. Когда носители перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами. База транзистора тонкая и слаболегированная. Следовательно, только несколько дырок в сочетании с электронами движутся в направлении слоя пространственного заряда коллектора. Отсюда получается ток базы.

Область основания коллектора соединена в обратном смещении. Дырки, которые накапливаются вокруг области истощения p-n перехода при воздействии отрицательной полярности, собираются или притягиваются коллектором. Таким образом создается ток коллектора. Полный ток эмиттера протекает через ток коллектора I_C.

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор? — Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h_21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h_21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h_2lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты f_т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1…2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

Ученые МИЭТа член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой Квантовой физики и наноэлектроники Александр Горбацевич, академик РАН, заведующий Базовой кафедрой субмикронной технологии СБИС Геннадий Красников и аспирант кафедры КФН Николай Шубин предложили теоретическую модель молекулярного транзистора, работа которого основана на эффекте квантовой интерференции и особых свойствах открытых квантовых систем.

Процессы резонансного туннелирования через квантовые объекты, такие как, например, отдельные молекулы, определяются не только структурой самой квантовой системы, но и взаимодействием этой системы с контактами. Ученые построили теоретическую модель, описывающую этот процесс, и показали принципиальное отличие туннелирования через систему с вырожденными и невырожденными уровнями. В первом случае вероятность процесса оказывается существенно ниже, чем для невырожденных состояний. Воздействуя на квантовый проводник (молекулу) внешним неоднородным электрическим полем за счет очень локального затвора, можно снимать и восстанавливать вырождение уровней в системе, и, таким образом, переключаться между различными режимами туннелирования.

Предложенный вариант управляемого квантового проводника, фактически квантового интерференционного транзистора, обладает двумя важными преимуществами перед современными кремниевыми аналогами. Во-первых, молекулярные транзисторы обладают гораздо меньшими размерами нежели самые передовые кремниевые разработки. Более того, молекулы неотличимы друг от друга и поэтому воспроизводимость совершенно одинаковых рабочих узлов транзистора будет абсолютной. Во-вторых, как было показано учеными, такие транзисторы и даже более сложные логические элементы (например, инвертор) могут работать при комнатной температуре при крайне низких напряжениях питания. Это представляется главным достоинством предлагаемой идеи нового типа молекулярных переключателей, поскольку проблема снижения энерговыделения является одной из самых острых в современной электронике. Несмотря на все уменьшающиеся топологические нормы не удается существенно снизить напряжение питания и оно остается на уровне 0,5 – 1 В. В связи с этим, подобные устройства с крайне низким энергопотреблением могут найти широкое применение как в традиционных вычислительных устройствах, так и во многих других областях, например, во встраиваемых системах, включая имплантируемые в медицинских целях устройства.

Работа, проведенная авторами, служит лишь первым шагом на пути к возможному созданию новой молекулярной элементной базы наноэлектроники. Для развития и уточнения предложенной идеи предстоит провести численное моделирование из первых принципов различных молекулярных систем и рассчитать их проводимость. Только после этого будет возможно сформулировать конкретные предложения по экспериментальной реализации и приступить к практическому созданию новых типов молекулярных транзисторов и устройств на их основе.

Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в статье журнала Scientific Reports.

РАБОТА СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

В схемах электроприводов малой мощности с преобразовате­лями частоты или с широтно-импульсными преобразователями постоянного тока (прерывателями) применяют силовые транзи­сторы. При этом не требуются используемые в тиристорных схе­мах громоздкие цепи для запирания (выключения) тиристоров-. В данном разделе объясняется работа транзисторных ключей, включающих в себя также обратные вентили и защитные цепи. Обратные вентили служат для создания цепи реактивного тока обмоток двигателя от ЭДС самоиндукции. Под термином ключ понимают силовой управляемый прибор вместе со вспомогатель­ными цепями. Это устройство является самостоятельным и основ­ным элементом силовой схемы преобразователя. Ключ может на­ходиться в одном из двух состояний: включено — он замыкает силовую цепь, выключено — он размыкает силовую цепь.

Транзисторы в преобразователях работают в режиме переклю­чения и, как правило, по схеме с общим эмиттером (рис. 59,а). Для повышения коэффициента усиления в ряде преобразователей применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона). При этом объединяются коллекторы обоих транзисторов, а эмит­тер входного транзистора соединен с базой выходного (рис. 59, в). На рис. 59, б приведены зависимости тока коллектора (/к) тран­зистора от напряжения эмиттер-коллектора (U3K) для различных значений тока базы. Режимы работы транзистора (отсечка и на-

сыщение) обусловлены токами базы и коллектора. В силовой пре­образовательной технике используются, главным образом, тран­зисторы проводимости типа п-р-п, применительно к которым мы будем дальше указывать полярность напряжения питания и управления. Если к базе приложено отрицательное напряжение относительно эмиттера (U3б), то транзистор закрыт и почти все напряжение питания (Uп) прикладывается к электродам эмит­тера и коллектора. Ток нагрузки пренебрежимо мал, мощность, рассеиваемая на транзисторе, минимальна. Граничной кривой области отсечки соответствует значение [/„б=0. Режим отсечки транзистора соответствует разомкнутому состоянию управляе­мого силового ключа преобразователя.

При подаче на базу транзистора положительного напряжения относительно эмиттера достаточной величины транзистор пере­ключается в режим насыщения. Область насыщения ограничена линией ОВ. Падение напряжения на транзисторе (напряжение змиттер — коллектор) составляет 1—3 В. Режимы насыщения и отсечки удачно сочетаются с ключевым характером работы си­ловых управляемых приборов в инверторах и прерывателях. Ко­гда ключ преобразователя замкнут, падение напряжения на тран­зисторе пренебрежимо мало по сравнению с напряжением пита­ния преобразователя, достигающим сотни вольт, т. е. практически всё напряжение прикладывается к нагрузке. При этом ток на­грузки 1K=U„/RH. Благодаря малому падению напряжения мощ­ность, рассеиваемая на транзисторе, не является чрезмерной. Для того чтобы ввести транзистор в состояние насыщения, требуется обеспечить определенную величину тока базы. Эта величина обус­лавливается заданным значением тока коллектора (нагрузки) и коэффициентом усиления конкретного транзистора. При дальней­шем значительном увеличении тока базы усиливается глубина насыщения, а падение напряжения транзистора уменьшается в малой степени.

В обоих режимах отсечки и насыщения, называемых статиче­скими, проще обеспечить «безопасную» работу транзисторов. В этих режимах при большом значении одного из параметров (ток или напряжение) другой имеет малое значение, т. е. мощность рассеивания на транзисторе, равная произведению тока падения напряжения на переходе эмиттер — коллектора, не превышает допустимой величины. Переключение транзистора из режима от­сечки в режим насыщения и наоборот проходит через активную область. В отличие от первых двух режимов активный характе­ризуется большими потерями мощности, так как одновременно могут иметь место значительные величины тока коллектора и на­пряжения эмиттер — коллектор. Поэтому в преобразователях приняты меры по снижению времени переключения и созданию такого режима переключения, чтобы не было одновременного образования больших коллекторных токов и напряжений. Во время выключения сначала режим транзистора смещается к гра­нице области насыщения (интервал задержки), а затем ток кол­лектора спадает до очень малой величины (интервал запирания).

Так как во многих случаях серийно выпускаемые транзисторы Не могут обеспечить требуемый ток нагрузки, то в преобразова­телях применяется параллельное соединение транзисторов. Для более равномерного распределения тока между отдельными тран­зисторами в цепи их эмиттеров, устанавливаются уравнительные резисторы небольшой величины, которые в некоторых преобразо­вателях используются как датчики тока для токовой защиты.

Если силовой транзистор работает на границе режимов (ак­тивного и насыщения), то уменьшается время выключения тран­зистора и снижается ток базы, последнее способствует разгрузке блока питания предварительных усилителей в цепи базы. Кроме того, выравниваются характеристики транзисторов и облегчается их параллельная работа. Наиболее близкая к активному режиму точка работы транзистора с наибольшим падением напряжения выбирается для режимов перегрузки. Однако, если выбрать ре­жим работы транзистора по каким-то определенным значениям токов коллектора и базы, то при увеличении тока нагрузки тран­зистор перейдет в активный режим, что нежелательно. Для обес­печения стабильной величины напряжения эмиттер — коллектор служит отрицательная обратная связь с коллекторов транзисто­ров на выходные усилители (ВУ), регулирующие ток базы (рис. 59, а). В цепи обратной связи устанавливают маломощные диоды. При этом сравниваются: суммарное падение напряжения на указанных диодах и падение напряжения эмиттер — коллек­тор. Если увеличится ток нагрузки и соответственно падение на­пряжения эмиттер — коллектор, то обратная связь воздействует на выходной усилитель таким образом, что повышается ток базы. В результате транзистор приоткрывается и падение напряжения эмиттер — коллектор возвращается к заданному уровню.

Работу силовых транзисторов необходимо рассматривать сов­местно с обратным (шунтирующим) вентилем, через который про­текает реактивный ток двигателя. Для исключения отрицатель­ного тока через транзистор необходимо подавать на базу отрица­тельное напряжение на время, когда транзистор не должен про­водить. Рассмотрим работу транзисторного ключа инвертора, ча­стота которого равна выходной частоте инвертора. Транзисторный ключ включает в себя обратный вентиль (V3 или V4) и защит­ную цепочку от перенапряжений (Ш •— V5 — С1 или R2 — V6 — С2 рис. 60,а). Цепь R—V—С уменьшает скорость нарастания напряжения эмиттер — коллектор транзистора при его отключе­нии. Благодаря этому снижается мощность рассеяния транзисто­ра. Кроме того, эта цепь облегчает параллельную работу транзи­сторов по следующей причине. Как известно, серийные транзи­сторы имеют разные времена выключения. При отсутствии ука­занной цепочки суммарный ток отключения ключа протекал бы через один наиболее медленно выключающийся транзистор, кото­рый мог бы выйти из строя. Благодаря защитной цепи ток про­текает через ее конденсатор.

После заряда конденсатора цепи выключаемого транзистора ток нагрузки замыкается через обратный вентиль второго ключа этой же фазы, но подключенного к другой шине источника посто­янного тока. После коммутационной паузы, которая больше вре­мени заряда конденсатора защитной цепи первого ключа, пода­ется открывающий сигнал на второй ключ. Благоприятным явля­ется то, что силовые транзисторы открываются при малом напря­жении эмиттер — коллектор, а ток нагрузки плавно нарастает после спадания реактивного тока до нуля. При следующем вклю­чении транзистора первого ключа конденсатор разряжается через резистор и упомянутый транзистор.

В инверторах, работающих на несущей частоте, переключение ключей одной фазы производится при постоянном направлении тока нагрузки. Поэтому в случае двигательной нагрузки при оче­редном включении транзистора одного ключа начинает протекать сквозной ток через этот транзистор и обратный вентиль второго ключа до восстановления запирающих свойств вентиля. Дело в том, что после того, как вентиль перестал проводить в прямом направлении, требуется некоторое время, чтобы вентиль восста­новил свои запирающие свойства.

Ограничение указанного тока осуществляется дросселями L1 и L2 (рис. 60,6). После выключения транзисторов VI или V2 ток дросселей спадает и проходит через вентиль V5 или V6 на конденсатор С1 или С2, которые разряжаются на резисторы Rt или R2. Конденсаторы СЗ и С4, так же как конденсатор С1 или С2 (рис. 60,а), ограничивают скорость нарастания напряжения на запираемых транзисторах. После очередного открытия транзи­сторов ток разряда конденсатора СЗ или С4 через транзисторы ограничивается дросселем L1 или L2.

Наиболее популярным и распространенным методом металлообработки считается резка металла, при помощи которой получают всевозможные продукты проката или листа. Не существует универсального оборудования и станков — один вид обрабатывает профиль или …

Цилиндрический редуктор — простое и эффективное решение для ступенчатого снижения числа оборотов и повышения крутящего момента.

Разборка и сборка электроприводов серии ПМСМ (1—3-й ти­пы размеров). При разборке следует освободить выходной конец вала агрегата от шкива или другого соединительного устройства; снять щеткодержатель 7 (см. рис. 55, а) …

Как работают транзисторы | HowStuffWorks

Если клетки являются строительными блоками жизни, то транзисторы — строительными блоками цифровой революции. Без транзисторов чудеса техники, которыми вы пользуетесь каждый день — сотовые телефоны, компьютеры, автомобили — были бы совершенно другими, если бы они вообще существовали.

До появления транзисторов инженеры-разработчики использовали вакуумные лампы и электромеханические переключатели для завершения электрических цепей. Трубки были далеки от идеала. Перед работой им приходилось разогреваться (а иногда и перегреваться), они были ненадежными, громоздкими и потребляли слишком много энергии.Все, от телевизоров до телефонных систем и первых компьютеров, использовало эти компоненты, но после Второй мировой войны ученые искали альтернативы электронным лампам. Вскоре они найдут ответ в работе, проделанной десятилетиями ранее.

В конце 1920-х годов польский американский физик Юлиус Лилиенфельд подал патент на трехэлектродное устройство, изготовленное из сульфида меди. Нет никаких доказательств того, что он действительно создал компонент, но его исследования помогли разработать то, что сегодня является полевым транзистором, строительным блоком кремниевых чипов.

Через двадцать лет после того, как Лилиенфельд подал свои патенты, ученые пытались применить его идеи на практике. Телефонной системе Bell, в частности, требовалось нечто лучшее, чем электронные лампы, для поддержания работоспособности систем связи. Компания собрала звездную команду ученых умов, включая Джона Бардина, Уолтера Браттейна и Уильяма Шокли, и заставила их заняться исследованием заменителей электронных ламп.

В 1947 году Шокли был директором по исследованиям транзисторов в Bell Telephone Labs.Браттейн был знатоком физики твердого тела, а также экспертом по природе атомной структуры твердых тел, а Бардин был инженером-электриком и физиком. В течение года Бардин и Бриттен использовали элемент германий для создания схемы усиления, также называемой точечным транзистором. Вскоре после этого Шокли усовершенствовал свою идею, разработав переходной транзистор.

В следующем году Bell Labs объявила миру, что они изобрели рабочие транзисторы. Первоначальное патентное название первого транзистора было следующим: Полупроводниковый усилитель; трехэлектродный элемент схемы из полупроводниковых материалов.Фраза звучала безобидно. Но это изобретение принесло команде Белла Нобелевскую премию по физике 1956 года и позволило ученым и инженерам-разработчикам гораздо больше контролировать поток электричества.

Не будет преувеличением, что транзисторы сделали возможным один из крупнейших технологических скачков человечества. Продолжайте читать, чтобы узнать, как именно работают транзисторы, как они повлияли на развитие технологий и, соответственно, на историю человечества.

Как работает транзистор?

Как работают биполярные переходные транзисторы.

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• • Опишите основную работу кремниевого планарного транзистора.
• • Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
• • Опишите влияние легирования на материалы транзисторов.

Рис. 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора может быть описан со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показано базовое легирование переходного транзистора, и на рис. 3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла.Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда. Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью. Это изменение удельного сопротивления коллектора гарантирует, что в материале коллектора рядом с основанием присутствует большой потенциал. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор сильно смещен в обратном направлении.Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор. Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток.Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с доступными дырками. Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор.Оказавшись здесь, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько сильное из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Изобретение транзистора — CHM Revolution

Изобретение транзистора

Ученые в 1920-х годах предложили строить усилители из полупроводников. Но они недостаточно хорошо разбирались в материалах, чтобы на самом деле это делать. В 1939 году Уильям Шокли из Bell Labs компании AT&T возродил идею замены электронных ламп.

Под руководством Шокли Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали в 1947 году первый полупроводниковый усилитель: точечный транзистор с двумя металлическими точками, контактирующими с полоской германия. В 1948 году Шокли изобрел более прочный переходной транзистор, построенный в 1951 году.

Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои изобретения.

Как работал транзистор Бардина и Браттейна

Транзистор Бардина и Браттейна состоял из полоски германия с двумя близко расположенными золотыми точечными контактами, удерживаемыми пластиковым клином.Они выбрали германиевый материал, который был обработан так, чтобы содержать избыток электронов, названный N-типом. Когда они заставляли электрический ток проходить через один контакт (называемый эмиттером), он вызывал дефицит электронов в тонком слое (локально изменяя его на P-тип) около поверхности германия. Это изменило количество тока, который мог протекать через контакт коллектора. Небольшое изменение тока через эмиттер вызвало большее изменение тока коллектора. Они создали усилитель тока.

Транзисторы Взлет

Компания AT&T, которая изобрела транзистор, лицензировала технологию в 1952 году. Она надеялась извлечь выгоду из других усовершенствований.

Транзисторы быстро покинули лабораторию и вышли на рынок. Хотя они дороже электронных ламп, они были идеальными, когда важна портативность и работа от батарей. Слуховой аппарат Sonotone 1952 года стал первым в Америке потребительским товаром на транзисторах. AT&T также использовала транзисторные усилители в своей системе междугородной телефонной связи.Вскоре они появились как переключатели, начиная с экспериментального компьютера в Манчестерском университете в 1953 году.

По мере того, как цены падали, количество потребителей увеличивалось. К 1960 году большинство новых компьютеров были транзисторными.

Факты о транзисторах для детей

Транзистор — это электронный компонент, который можно использовать как часть усилителя или как переключатель. Он изготовлен из полупроводникового материала. Транзисторы встречаются в большинстве электронных устройств.Транзистор был большим достижением после лампового триода, потреблявшего гораздо меньше электроэнергии и служившего на много лет дольше, для переключения или усиления другого электронного тока.

Транзистор может использоваться для множества различных вещей, включая усилители и цифровые переключатели для компьютерных микропроцессоров. В цифровой работе в основном используются полевые МОП-транзисторы. Некоторые транзисторы имеют индивидуальную упаковку, в основном для того, чтобы они могли работать с большой мощностью. Большинство транзисторов находится внутри интегральных схем.

Как они работают

имеют три вывода: затвор, сток и исток (на биполярном транзисторе провода можно назвать эмиттером, коллектором и базой). Когда источник (или эмиттер) подключен к отрицательной клемме батареи, а сток (или коллектор) — к положительной клемме, в цепи не будет течь электричество (если у вас есть только лампа, соединенная последовательно с транзистором). Но когда вы коснетесь затвора и стока вместе, транзистор пропустит электричество.Это связано с тем, что, когда затвор заряжен положительно, положительные электроны будут подталкивать другие положительные электроны в транзисторе, позволяя отрицательным электронам проходить через него. Транзистор также может работать, когда затвор просто положительно заряжен, поэтому ему не нужно касаться стока.

Визуализация

Легко представить, как работает транзистор, — это шланг с крутым изгибом, не позволяющий воде проходить через него. Вода — это электроны, и когда вы заряжаете затвор положительно, он разгибает шланг, позволяя воде течь.

Базовая схема транзистора Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов, подключенных эмиттером к базе, поэтому они действуют как один транзистор. Один из транзисторов подключен так, что контролирует ток на базе другого транзистора. Это означает, что вы можете контролировать такое же количество тока при очень небольшом токе, идущем в базу.

использует

Когда затвор P-канального MOSFET заряжен положительно, через него проходит электричество, это полезно для электроники, которая требует включения переключателя, что делает его электронным переключателем. Это конкурирует с механическим переключателем, который требует постоянного нажатия на него.

В полевом МОП-транзисторе, используемом в качестве усилителя, транзисторы принимают поток стока и истока, и, поскольку ток истока намного больше, чем ток стока, ток стока обычно возрастает до значения, равного истоку, усиливая Это.

Материалы

Транзисторы изготовлены из полупроводниковых химических элементов, обычно кремния, который относится к современной группе 14 (ранее группа IV) периодической таблицы элементов. Германий, другой элемент группы 14, используется вместе с кремнием в специализированных транзисторах. Исследователи также изучают транзисторы, сделанные из особых форм углерода. Транзисторы также могут быть изготовлены из таких соединений, как арсенид галлия.

История

Транзистор был не первым трех оконечным устройством.Триод служил той же цели, что и транзистор 50 лет назад. Электронные лампы были важны в бытовой технике до транзисторов. К сожалению, лампы были большими и хрупкими, потребляли много энергии и прослужили недолго. Транзистор решил эти проблемы.

Трем физикам приписывают изобретение транзистора в 1947 году: Уолтеру Х. Браттейну, Джону Бардину и Уильяму Шокли, которые внесли наибольший вклад.

Важность

Транзистор сегодня является очень важным компонентом.Если бы не транзистор, такие устройства, как сотовые телефоны и компьютеры, были бы совсем другими, или они, возможно, вообще не были бы изобретены. Транзисторы были сделаны очень маленькими (в десятки атомов в ширину), так что миллиарды их можно поместить в небольшой компьютерный чип.

Галерея

• Периодическая таблица элементов

• Реплика первого транзистора

• Изобретатели транзистора

Картинки для детей

• Разборные дискретные транзисторы.Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23.

• Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

• Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

• Поверхностно-барьерный транзистор Philco, разработанный и произведенный в 1953 году

• Транзистор Дарлингтона открылся, так что внутри виден сам транзисторный чип (маленький квадрат).Транзистор Дарлингтона — это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений.

• Работа полевого транзистора и его кривая Id-Vg. Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключено. По мере увеличения напряжения затвора плотность инверсионных электронов в канале увеличивается, ток увеличивается, и, таким образом, устройство включается.

• Символ транзистора создан на португальском асфальте в университете Авейру.

• Разные дискретные транзисторы

Как работает транзистор, альтернативная точка зрения

Что такое транзистор? Как работает транзистор?

Транзистор — одно из двух важнейших изобретений прошлого века. Другой, конечно же, кресло. Появление транзистора спровоцировало то, что сейчас называют электронной революцией.Без изобретения транзистора большинство электронных устройств, от которых вы так безнадежно зависимы, не существовало бы. Самые незаменимые технологические чудеса современности основаны на транзисторах — персональные компьютеры, телевизоры, смартфоны, планшеты, фаблеты, ноутбуки, маршрутизаторы и массажеры для ног. Переполненные миллиардами транзисторов для электронных устройств такие же, как клетки для нашего тела. Но как инструменту тоньше человеческого волоса удается поднять на своих слабых плечах целые отрасли?

Полупроводники

Во-первых, мы должны узнать, из чего сделаны транзисторы.Знание его анатомии позволит нам с большей легкостью понять его работу. Полупроводники — это в основном амбиверты материального мира. Они не слишком общительны, когда дело касается дружбы с электронами, как проводники, и не молчаливы и не реагируют на них, как интровертные изоляторы. Их проводимость находится между проводниками и изоляторами. Наиболее часто используемые полупроводники — это кремний и германий.

Полупроводники проводят ток, только когда они нагреваются до более высоких температур.Тепловая энергия преодолевает слабую энергию, которая слабо связывает его электроны с их атомами, тем самым освобождая их, и тем самым делая материал проводящим. Однако более удобной альтернативой является изменение атомной структуры материала и повышение его проводимости путем введения в него примесей. Этот процесс известен как легирование. Эти материалы только полу -проводящие, потому что объем высвободившихся электронов намного меньше, чем объем свободных электронов, роящихся на поверхности проводников.

Однако частичная проводимость делает его выходной ток чувствительным к манипулированию или «контролю». Там, где электроны вырываются из проводника в огромных объемах, как вода течет по плотине, электроны в полупроводнике ведут себя больше как вода, вытягиваемая из крана. Смеситель можно затянуть или ослабить, чтобы регулировать количество воды, протекающей через него. Это и есть принцип работы транзистора.

Что такое транзистор?

Давайте продолжим нашу аналогию с краном.Работа крана состоит из трех частей: резервуара с водой, трубы, по которой вода выходит, и ручки, которая позволяет нам контролировать выходящий объем. Точно так же транзистор состоит из трех полупроводников: резервуара электронов, заполненного чрезмерным легированием, трубки с умеренным легированием и ручки, на которой — можно сделать разумный вывод — вообще нет электронов. Ток из резервуара течет по трубе при вращении ручки. Степень вращения определяет количество тока, протекающего по трубе.Здесь вращение означало бы подачу на ручку небольшого напряжения или тока.

(Фото: Inductiveload / Wikimedia Commons)

Транзисторы в основном можно разделить на две категории: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Резервуар, труба и ручка в переходных транзисторах называются эмиттером, коллектором и базой соответственно. Коллектор обозначен буквой «n +», что подчеркивает избыток отрицательно заряженных частиц (электронов). Точно так же эмиттер обозначается буквой «n», что подчеркивает умеренную плотность электронов, тогда как основание обозначается буквой «p», что подчеркивает отсутствие электронов или избыток положительно заряженных частиц, называемых дырками.Термин «соединение» относится к соединениям, образованным между этими тремя блоками.

Напротив, полевые транзисторы устроены иначе. Он состоит не из трех, а из двух слоев, зажатых друг над другом. Электроны проходят через внутренности одного слоя, называемого каналом, в то время как другой слой, называемый затвором, выполняет функцию ручки. Напряжение затвора контролирует силу тока, протекающего по каналу. Различная архитектура дает им совершенно разные резистивные свойства, но основная функция этих двух категорий транзисторов по существу одинакова — управление сильным током при слабом напряжении.

Транзистор может выполнять две основные функции. Он может действовать как переключатель или как усилитель. Работая в качестве переключателя, кран позволяет току течь по своей трубе только тогда, когда на его ручку подается определенное напряжение. Если напряжение ниже этого порога, кран подавляет любой ток, который может протекать через него. Так генерируются двоичные числа. Каждый бит «1» или «0» является либо открытым краном, величина тока которого стандартизована как «1», либо закрытым краном, что переводится в «0».Последовательность битов затем обрабатывается микропроцессорами для выполнения множества операций.

Биты «0» и «1» согласно нашей аналогии с краном.

Согласно закону Мура количество транзисторов в микропроцессоре должно удваиваться каждый год. При создании процессоров сначала на них застрял миллион транзисторов, и теперь их количество, в соответствии с законом Мура, выросло до триллионов! Этот невероятный подвиг был бы невозможен, если бы полупроводники не продемонстрировали склонность к такому масштабированию.Их невероятная масштабируемость позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и многое другое в одном устройстве — устройстве, на котором вы, вероятно, читаете это прямо сейчас.

Невероятная масштабируемость полупроводников позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и множество других инструментов в одном устройстве — смартфоне. (Фото: GaudiLab / Fotolia)

Статьи по теме

Статьи по теме

При работе в качестве усилителя он потребляет большой ток из резервуара по мере того, как ручка постепенно отпускается, так что небольшое количество тока контролирует большое количество тока — выходной ток прямо пропорционален входному току.