Є біполярні транзистори. Схеми включення залежать від того, яка у них провідність (дірочна або електронна) та функції, що виконуються.

Класифікація

Транзистори поділяють на групи:

1. За матеріалами: найчастіше використовуються арсенід галію та кремній.
2. По частоті сигналу: низька (до 3 МГц), середня (до 30 МГц), висока (до 300 МГц), надвисока (понад 300 МГц).
3. По максимальній потужності розсіювання: до 0,3 Вт, до 3 Вт, понад 3 Вт.
4. За типом пристрою: три з'єднані шари напівпровідника з почерговою зміною прямого та зворотного способів домішкової провідності.

Як працюють транзистори?

Зовнішні та внутрішній шари транзистора з'єднані з електродами, що підводять, званими відповідно емітером, колектором і базою.

Емітер і колектор не відрізняються один від одного типами провідності, але ступінь легування домішками у останнього є значно нижчим. За рахунок цього забезпечується збільшення допустимої вихідної напруги.

База, що є середнім шаром, має великий опір, оскільки зроблена з напівпровідника зі слабким легуванням. Вона має значну площу контакту з колектором, що покращує відведення тепла, що виділяється через зворотне усунення переходу, а також полегшує проходження неосновних носіїв - електронів. Незважаючи на те, що перехідні шари засновані на одному принципі, транзистор є несиметричним пристроєм. При зміні місць крайніх шарів з однаковою провідністю неможливо отримати аналогічні параметри напівпровідникового пристрою.

Схеми включення здатні підтримувати їх у двох станах: може бути відкритим чи закритим. В активному режимі, коли транзистор відкритий, емітерне зміщення переходу зроблено у напрямі. Щоб це наочно розглянути, наприклад, на напівпровідниковому тріоді типу n-p-n, на нього слід подати напругу від джерел, як зображено на малюнку нижче.

Кордон на другому колекторному переході при цьому закритий, і через нього струм протікати не повинен. Але на практиці відбувається зворотне через близьке розташування переходів один до одного та їхнього взаємного впливу. Оскільки до емітера підключений «мінус» батареї, відкритий перехід дозволяє електронам надходити в зону бази, де відбувається їхня часткова рекомбінація з дірками – основними носіями. Утворюється базовий струм I б. Чим він сильніший, тим більше струм на виході. У цьому принципі працюють підсилювачі на біполярних транзисторах.

Через базу відбувається виключно дифузійне переміщення електронів, оскільки немає дії електричного поля. Завдяки незначній товщині шару (мікрони) і великій величині негативно заряджених частинок, багато з них потрапляють в область колектора, хоча опір бази досить великий. Там їх втягує електричне поле переходу, що сприяє їхньому активному перенесенню. Колекторний та емітерний струми практично рівні між собою, якщо знехтувати незначною втратою зарядів, викликаних рекомбінацією в базі: I е = I б + I к.

Параметри транзисторів

1. Коефіцієнти посилення за напругою U ек /U бе і струму: β = I до /I б (фактичні значення). Зазвичай коефіцієнт β не перевищує значення 300 але може досягати величини 800 і вище.
2. Вхідний опір.
3. Частотна характеристика - працездатність транзистора до заданої частоти, при перевищенні якої перехідні процеси в ньому не встигають за змінами сигналу, що подається.

Біполярний транзистор: схеми включення, режими роботи

Режими роботи різняться залежно від цього, як зібрана схема. Сигнал повинен подаватися і зніматися у двох точках для кожного випадку, а є лише три висновки. Звідси випливає, що один електрод повинен одночасно належати входу та виходу. Так включаються будь-які біполярні транзистори. Схеми включення: ПРО, ОЕ та ОК.

1. Схема із ОК

Схема включення із загальним колектором: сигнал надходить на резистор R L , який також входить в колекторний ланцюг. Таке підключення називають схемою із загальним колектором.

Цей варіант створює лише посилення струму. Перевага емітерного повторювача полягає у створенні великого опору входу (10-500 кОм), що дозволяє зручно узгоджувати каскади.

2. Схема з ПРО

Схема включення біполярного транзистора із загальною базою: вхідний сигнал надходить через З 1 а після посилення знімається у вихідний колекторної ланцюга, де електрод бази є загальним. У такому разі створюється посилення за напругою аналогічно до роботи з ОЕ.

Недоліком є ​​невеликий опір входу (30-100 Ом), і схема ПРО застосовується як генератор коливань.

3. Схема з ОЕ

У багатьох варіантах, коли застосовуються біполярні транзистори, схеми включення переважно роблять із загальним емітером. Напруга живлення подається через навантажувальний резистор R L , а до емітера підключається негативний полюс зовнішнього живлення.

Змінний сигнал із входу надходить на електроди емітера і бази (V in), а в колекторному ланцюзі він стає вже більшим за величиною (V CE). Основні елементи схеми: транзистор, резистор R L та ланцюг виходу підсилювача із зовнішнім живленням. Допоміжні: конденсатор 1 , що перешкоджає проходженню постійного струму в ланцюг подається вхідного сигналу, і резистор R 1 через який транзистор відкривається.

У колекторному ланцюзі напруги на виході транзистора та на резисторі R L разом дорівнюють величині ЕРС: V CC = I C R L + V CE .

Таким чином, невеликим сигналом V in на вході визначається закон зміни постійної напруги живлення в змінне на виході керованого транзисторного перетворювача. Схема забезпечує зростання вхідного струму у 20-100 разів, а напруги – у 10-200 разів. Відповідно, потужність також підвищується.

Недолік схеми: невеликий опір входу (500-1000 Ом). З цієї причини виникають проблеми у формуванні. Вихідний опір становить 2-20 кОм.

Наведені схеми показують, як працює біполярний транзистор. Якщо не вжити додаткових заходів, на їхню працездатність сильно впливатимуть зовнішні впливи, наприклад перегрів і частота сигналу. Також заземлення емітера створює нелінійні спотворення на виході. Щоб підвищити надійність роботи, у схемі підключають зворотні зв'язки, фільтри тощо. При цьому коефіцієнт посилення знижується, але пристрій стає більш працездатним.

Режими роботи

На функції транзистора впливає значення напруги, що підключається. Усі режими роботи можна показати, якщо застосовується представлена ​​раніше схема включення біполярного транзистора із загальним емітером.

1. Режим відсічки

Цей режим створюється, коли значення напруги V БЭ знижується до 0,7 У. У цьому емітерний перехід закривається, і колекторний струм відсутня, оскільки немає вільних електронів у основі. Таким чином, транзистор замкнений.

2. Активний режим

Якщо на базу подати напругу, достатню щоб відкрити транзистор, з'являється невеликий вхідний струм і підвищений на виході, залежно від величини коефіцієнта посилення. Тоді транзистор працюватиме як підсилювач.

3. Режим насичення

Режим відрізняється від активного тим, що транзистор повністю відкривається і струм колектора досягає максимально можливого значення. Його збільшення можна досягти тільки за рахунок зміни прикладеної ЕРС або навантаження в ланцюзі виходу. При зміні базового струму колектор не змінюється. Режим насичення характеризується тим, що транзистор гранично відкритий, і він служить перемикачем у включеному стані. Схеми включення біполярних транзисторів при об'єднанні режимів відсікання та насичення дозволяють створювати з їх допомогою електронні ключі.

Усі режими роботи залежить від характеру вихідних показників, зображених на графіці.

Їх можна наочно продемонструвати, якщо буде зібрано схему включення біполярного транзистора з ОЕ.

Якщо відкласти на осях ординат та абсцис відрізки, що відповідають максимально можливому колекторному струму та величині напруги живлення V CC , а потім з'єднати їх кінці між собою, вийде лінія навантаження (червоного кольору). Вона описується виразом: IC = (V CC - V CE)/RC . З малюнка випливає, що робоча точка, що визначає струм колектора I C і напруга V CE буде зміщуватися по навантажувальній лінії знизу вгору при збільшенні струму бази I В.

Зона між віссю V CE та першою характеристикою виходу (заштрихована), де I В = 0, характеризує режим відсічення. При цьому зворотний струм I C мізерно малий, а транзистор закритий.

Найвища характеристика в точці А перетинається з прямого навантаження, після якого при подальшому збільшенні I колекторний струм вже не змінюється. Зоною насичення на графіці є заштрихована область між віссю IC і найкрутішою характеристикою.

Як поводиться транзистор у різних режимах?

Транзистор працює зі змінними або постійними сигналами, що надходять у вхідний ланцюг.

Біполярний транзистор: схеми включення, підсилювач

Здебільшого транзистор служить як підсилювач. Змінний сигнал на вході призводить до зміни вихідного струму. Тут можна застосувати схеми з ОК або ОЕ. Вихідний ланцюг для сигналу потребує навантаження. Зазвичай використовують резистор, встановлений у вихідний колекторної ланцюга. Якщо його правильно вибрати, величина вихідної напруги буде значно вищою, ніж вхідної.

Роботу підсилювача добре видно на часових діаграмах.

Коли перетворюються імпульсні сигнали, режим залишається тим самим, що й для синусоїдальних. Якість перетворення їх гармонійних складових визначається частотними характеристиками транзисторів.

Робота в режимі перемикання

Призначені для безконтактної комутації з'єднань електричних ланцюгах. Принцип полягає у ступінчастій зміні опору транзистора. Біполярний тип цілком відповідає вимогам ключового пристрою.

Висновок

Напівпровідникові елементи використовуються у схемах перетворення електричних сигналів. Універсальні можливості та велика класифікація дозволяють широко застосовувати біполярні транзистори. Схеми включення визначають їх функції та режими роботи. Багато залежить також від характеристик.

Основні схеми включення біполярних транзисторів посилюють, генерують та перетворюють вхідні сигнали, а також перемикають електричні ланцюги.

Транзистор, як напівпровідниковий прилад, що має три електроди (емітер, базу, колектор), можна увімкнути трьома основними способами (рис. 3.1 - 3.6). Як відомо, вхідний сигнал надходить на підсилювач по двох дротах; вихідний сигнал відводиться також по двох дротах. Отже, для трьох-електродного підсилювального приладу при подачі вхідного та знімання вихідного сигналу по двох дротах один з електродів буде неодмінно загальним. Відповідно до того, який із електродів у схемі включення транзистора буде загальним, розрізняють три основні схеми включення: із загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК) та загальною базою (ПРО).

Мал. 3.1. Схема із загальним еммітером (ОЕ)

Мал. 3.2. Схема із загальним колектором (ОК)

Практичні варіанти схем включення транзисторів структури п-р-п та р-п-р наведено на рис. 3.1 - 3.6. Як випливає зі зіставлення малюнків, схеми ці ідентичні і відрізняються лише полярністю напруги, що подається.

Для визначення вхідного (RBX.) та вихідного (RBbix.) опору кожної зі схем включення, а також коефіцієнтів посилення по струму (К,), напрузі (Кі) та потужності (КР=К|ХКі) розрахункові та експериментальні значення та формули наведені у таблицях 3.1 та 3.2.

Таблиця з формулами наведена для наближених розрахунків, а початкової, первинної оцінки та порівняння властивостей основних схем включення транзисторів призначена друга таблиця з чисельними оцінками.

Мал. 3.3. Схема із загальною базою (ПРО)

Позначення у таблиці такі: RH - опір навантаження; R3 - опір емітера або відношення зміни напруги на емітерному переході до зміни струму емітера в режимі короткого замикання у вихідному ланцюгу змінного струму; RB - опір бази або відношення зміни напруги між емітером і базою до зміни струму колектора в режимі холостого ходу вхідного ланцюга змінного струму; а - коефіцієнт посилення по струму для схеми із загальною базою; р - коефіцієнт посилення струму для схеми із загальним емітером.

Мал. 3.4. Схема із загальним еммітером (ОЕ)

Мал. 3.5. Схема із загальним колектором (ОК)

Мал. 3.6. Схема із загальною базою (ПРО)

Найчастіше в практичних схемах використовують режим включення транзистора із загальним емітером (як має найбільший коефіцієнт посилення за потужністю).

Емітерні повторювачі (схеми із загальним колектором) застосовують для узгодження високого вихідного опору джерела сигналу з низьким вхідним опором навантаження. Для побудови високочастотних підсилювачів (що мають низький вхідний опір) використовують схеми із загальною базою.

Залежно від наявності, полярності та величини потенціалів на електродах транзисторів розрізняють кілька режимів його роботи. Насичення - транзистор відкритий, напруга на переході К-Е мінімально, струм через переходи максимальний. Відсікання - транзистор закритий, напруга на переході К - Е максимально, струм через переходи мінімальний. Активний – проміжний між режимом насичення та відсічення. Інверсний – характеризується подачею на електроди транзистора зворотної (інверсної) полярності робочої напруги.

У перемикально-комутуючих схемах, що мають тільки два стани: включено (опір ключового елемента близько до нуля) і вимкнено (опір ключового елемента прагне нескінченності), використовуються режими насичення та відсічення. Активний режим широко застосовують посилення сигналів. Інверсний режим використовують досить рідко, оскільки покращити показники схеми за такого включення транзистора не вдається.

Для того щоб без розрахунків спочатку оцінити величини RC-елементів, що входять до складу схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можна прийняти величину опору в колекторному (емітерному) ланцюгу, що дорівнює декільком кОм, а величину опору в ланцюгу бази в 30 ...50 разів більшим. При цьому напруга на колекторі (емітері) повинна дорівнювати половині напруги живлення. Для схеми із загальною базою (рис. 3.3, 3.6) величина опору R3 зазвичай не перевищує 0,1... 1 кОм, величина опору R2 становить кілька ком.

Величини реактивних опорів конденсаторів С1 — СЗ для найнижчих частот, які потрібно посилити, повинні бути приблизно на порядок нижчими за з'єднані з ними активні опори R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципі, величини цих ємностей можна було вибрати зі значним запасом, але в цьому випадку збільшуються габарити перехідних конденсаторів, їх вартість, струми витоку, тривалість перехідних процесів і т.д.

Як приклад наведемо таблицю 3.3 швидкого визначення величини реактивного опору конденсаторів для кількох частот.

Нагадаємо, що реактивний опір конденсатора Хс Ом можна обчислити за формулою:

Для постійного струму реактивний опір конденсаторів прагне нескінченності. Отже, для підсилювачів постійного струму (нижня гранична частота посилення дорівнює нулю) перехідні конденсатори не потрібні, а розділення каскадів необхідно передбачати спеціальні заходи. Конденсатори у ланцюгах постійного струму рівносильні обриву ланцюга. Тому при побудові схем підсилювачів постійного струму використовують схеми із безпосередніми зв'язками між каскадами. Вочевидь, у разі необхідно узгодження рівнів межкаскадных напруг.

При посиленні змінного струму ланцюга навантаження підсилювальних каскадів часто використовують індуктивні елементи. Зазначимо, що реактивний опір індуктивностей зростає із збільшенням частоти. Відповідно, зі зміною опору навантаження від частоти, зростає коефіцієнт посилення такого каскаду.

Крім біполярних транзисторів, широкого поширення набули більш сучасні елементи — польові транзистори (рис. 3.7 — 3.9).

Мал. 3.7. Схема із загальним витоком (ОІ)

Мал. 3.8. Схема із загальним стоком (ОС)

За аналогією зі схемами включення біполярних транзисторів польові включають із загальним витоком, загальним стоком та з загальним затвором.

Мал. 3.9. Схема із загальним затвором (03)

Основні розрахункові співвідношення цих схем включення польових транзисторів наведено у таблиці 3.4, де S — крутість характеристики польового транзистора, мА/В; R - внутрішній опір транзистора.

Орієнтовно величина R1 (рис. 3.7 - 3.9) може бути від кількох Ом до одиниць МОМ R2 - кілька ком. Зазначимо, що, як і для біполярних транзисторів, польові також допускають роботу з відсіченням, насиченням; активний та інверсний режими.

Для збільшення коефіцієнта передачі струму біполярного транзистори використовують «складові» транзистори, що включаються за схемою Дарлінгтона (рис. 3.10 - 3.13). Загальний їхній коефіцієнт посилення дещо відрізняється від добутку коефіцієнтів посилення кожного з транзисторів. Одночасно погіршується температурна стабільність схеми.

Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книга 1), 2003 рік

Підсилювач являє собою чотириполюсник, два висновки якого призначені для підключення вхідного сигналу і два виведення, що залишилися, служать для зняття з них посиленого сигналу (напруги або струму). У транзистора є тільки три висновки, тому для реалізації чотириполюсника доводиться один із висновків підключати як до входу, так і до виходу підсилювача. Залежно від цього, який висновок транзистора є загальним як входу, так виходу підсилювача, схеми включення транзистора називаються:

• Схема із загальним емітером
• Схема із загальною базою
• Схема із загальним колектором

Слід зазначити, що ці схеми включення застосовуються як для біполярних транзисторах, але й всіх типів польових транзисторів. Вони ці схеми називатимуться схемами із загальним витоком, загальним затвором і загальним стоком відповідно. У всіх наступних схемах межі чотириполюсника підсилювача будуть показані пунктирною лінією. Для підключення джерела сигналу та навантаження в них передбачено два висновки.

Схема із загальним емітером

Найбільш поширеною схемою включення транзистора є (ОЕ). Це з найбільшим посиленням цієї схеми за потужністю. Схема із загальним емітером має посилення, як по напрузі, так і по струму. Функціональна схема включення транзистора із загальним емітером наведена малюнку 1.

Рисунок 1. Функціональна схема включення транзистора із загальним емітером

На цій схемі ланцюга живлення колектора та бази транзистора не показані. Ми розглянемо їх пізніше при докладному вивченні із загальним емітером. Вхідний опір схеми включення транзистора із загальним емітером визначається вхідною характеристикою транзистора. Воно залежить від базового, а отже, і колекторного струму транзистора. Більшість малопотужних підсилювачів воно становить значення порядку 2,5 кОм.

Схема із загальною базою

Схема із загальним колектором

Зазвичай застосовується отримання високого вхідного опору. Коефіцієнт посилення за потужністю даної схеми включення транзистора менше порівняно зі схемою із загальним емітером і порівняти з коефіцієнтом посилення схеми із загальною базою. Це з тим, що схема включення транзистора із загальним колектором не посилює по напрузі. У цій схемі провадиться посилення тільки по струму. Функціональна схема включення транзистора із загальним колектором наведена малюнку 3.

Рисунок 3. Функціональна схема включення транзистора із загальним колектором

На схемі, наведеній на малюнку 5, ланцюги живлення колектора та бази не показані. В якості вхідного опору схеми включення транзистора із загальним колектором служить сума опору бази транзистора (як у схемі із загальним емітером) і перерахованого до входу опору ланцюга емітера, тому вхідний опір схеми із загальним колектором дуже велике. Її вхідний опір найбільший зі всіх схем включення транзистора.

Література:

Разом із статтею "Схеми включення транзистора" читають:

http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/

http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/

Транзистор, у схему включають так, що один з його висновків є вхідним, другий вихідним, а третій загальним для вхідний і вихідний ланцюгів. Залежно від цього, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ПРО, ОЕ і ОК. Для транзистора n-р-n у схемах включення змінюються лише полярності напруги та напрямок струмів. За будь-якої схеми включення транзистора, полярність включення джерел живлення має бути обрана такий, щоб емітерний перехід був у прямому напрямі, а колекторний – у зворотному.

Статичні характеристики біполярних транзисторів

Статичним режимом роботи транзистора називається режим за відсутності навантаження вихідного ланцюга.

Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги та струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) та вихідного ланцюга (вихідні ВАХ). Вигляд параметрів залежить від методу включення транзистора.

Характеристики транзистора, включеного за схемою

IЕ = f(UЕБ) при UКБ = const(а).

IК = f(UКБ) при IЕ = const(б).

Статичні характеристики біполярного транзистора включеного за схемою ПРО. Вихідні ВАХ мають три характерні сфери: 1 – сильна залежність Iк від UКБ; 2 – слабка залежність Iк від UКБ; 3 – пробій колекторного переходу. Особливістю характеристик області 2 є їх невеликий підйом зі збільшенням напруги UКБ.

Характеристики транзистора, включеного за схемою ое:

Вхідною характеристикою є залежність:

IБ = f(UБЕ) при UКЕ = const(б).

Вихідною характеристикою є залежність:

IК = f(UКЕ) при IБ = const(а).

Режим роботи біполярного транзистора

Транзистор може працювати у трьох режимах залежно від напруги з його переходах. Працюючи в активному режимі на емітерному переході напруга пряме, але в колекторному – зворотне.

Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи (обидва р-n-переходи закриті).

Якщо на обох переходах напруга пряме (обидва р-n- переходу відкриті), то транзистор працює у режимі насичення. У режимі відсікання та режимі насичення керування транзистором майже відсутнє. В активному режимі таке управління здійснюється найефективніше, причому транзистор може виконувати функції активного елемента електричної схеми – посилення, генерація.

Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі

Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора за схемою із загальним емітером. Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований елемент транзистор VT і резистор Rк. Ці елементи утворюють вихідний ланцюг підсилювального каскаду, в якому за рахунок протікання керованого струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми. Інші елементи схеми виконують допоміжну роль. Конденсатор Ср є розділовим. За відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналу створювався постійний струм від джерела живлення Ек.

Резистор RБ, включений у ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора за відсутності вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом основи спокою IБ = Ек/RБ. За допомогою резистора Rк створюється вихідна напруга. Rк виконує функцію створення напруги, що змінюється, у вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.

Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:

Ек = Uке + IкRк,

сума падіння напруги на резисторі Rк та напруги колектор-емітер Uке транзистора завжди дорівнює постійній величині – ЕРС джерела живлення Ек.

Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Ек в енергію змінної напруги у вихідному ланцюзі за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.

5) Що таке польовий транзистор? Які види бувають?

Польовий транзистор (ПТ) – напівпровідниковий прилад, в якому ре-

гулювання струму здійснюється зміною провідності провідного

каналу за допомогою поперечного електричного поля На відміну від біполяр-

ного струм польового транзистора обумовлений потоком основних носіїв.

Електроди польового транзистора називають витоком (І), стоком (С) і

затвором (З). Керуюча напруга прикладається між затвором і вико-

струмом. Від напруги між затвором і витоком залежить провідність кана-

ла, отже, і величина струму. Таким чином, польовий транзистор можна

розглядати як джерело струму, керований напругою затвор-витік. Ес-

чи амплітуда зміни керуючого сигналу досить велика, опір-

лення каналу може змінюватися в дуже великих межах. У цьому випадку поле-

вий транзистор можна використовувати як електронний ключ.

За конструкцією польові транзистори можна розбити на дві групи:

З керуючим p-n-переходом;

З металевим затвором ізольованим від каналу діелектриком.

Транзистори другого виду називають МДП-транзистори (метал –

діелектрик - напівпровідник). У більшості випадків діелектриком є

двоокис кремнію SiO2, тому зазвичай використовується назва МОП-

транзистори (метал – оксид – напівпровідник). У сучасних МОП-

транзисторах для виготовлення затвора часто використовується полікристалічний

кремнію. Однак назву МОП-транзистор використовують і таких приладів.

Провідність каналу польового транзистора може бути електронною

або дірочною. Якщо канал має електронну провідність, то транзистор

називають n-канальним. Транзистори з каналами, що мають дірочну про-

Водність, називають p-канальними. У МОП-транзисторах канал може бути

збіднений носіями або збагачений ними. Таким чином, поняття «польовий

транзистор» об'єднує шість різних видів напівпровідникових приладів.

МОП-транзистори знаходять широке застосування в сучасній електро-

ніку. У ряді областей, у тому числі в цифровій електроніці, вони майже повно-

ністю витіснили біполярні транзистори. Це пояснюється наступними при-229

чинами. По-перше, польові транзистори мають високий вхідний опір.

ня та забезпечують мале споживання енергії. По-друге, МОП-транзистори

займають на кристалі інтегральної схеми значно меншу площу,

ніж біполярні. Тому щільність компонування елементів у МОП-

інтегральних схемах значно вищі. По-третє, технології виробництва

інтегральних схем на МОП-транзисторах вимагають меншої кількості операцій,

ніж технології виготовлення ІВ на біполярних транзисторах

6) Що таке стабілітрон? Поясніть принцип роботи. Намалюйте його вольт-амперні властивості.

Стабілітронами називають напівпровідникові діоди, що використовують особливість зворотної гілки вольтамперної характеристики на ділянці пробою змінюватись у широкому діапазоні зміни струмів при порівняно невеликому відхиленні напруги. Ця властивість широко використовується для створення спеціальних пристроїв – стабілізаторів напруги.

Напруга пробою стабілітрону залежить від ширини р-n-переходу, що визначається питомим опором матеріалу напівпровідника Тому існує певна залежність пробивної напруги (тобто напруги стабілізації) від концентрації домішок.

Низьковольтні стабілітрони виконують на основі сильно легованого кремнію. Ширина р-n-Переходу в цьому випадку виходить дуже маленькою, а напруженість електричного поля потенційного бар'єру - дуже великий, що створює умови для виникнення тунельного пробою. При великій ширині р-n-переходу пробій носить лавинний характер.

Вольт-амперна характеристика стабілітрону представлена ​​на рис. 6.1 Робочий струм стабілітрону (його зворотний струм) не повинен перевищувати максимально допустимого значення, щоб уникнути перегріву напівпровідникової структури та виходу його з ладу.

Мал. 6.1. Конструкція корпусу (а), вольт-амперна характеристика та умовне графічне позначення стабілітрона

Істотною особливістю стабілітрона є залежність його напруги стабілізації від температури. У сильно легованих напівпровідниках можливість тунельного пробою зі збільшенням температури зростає. Тому напруга стабілізації таких стабілітронів при нагріванні зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН)

.

У слабо легованих напівпровідниках зі збільшенням температури зменшується довжина вільного пробігу носіїв, що зумовлює збільшення порогового значення напруги, у якому починається лавинний пробій. Такі стабілітрони мають позитивний ТКН. (Рис. 6.2).

Мал. 6.2. Температурна залежність вольт-амперної характеристики стабілітрону

Для усунення цього недоліку та створення термокомпенсованих стабілітронів послідовно в ланцюг стабілітрону включають звичайні діоди в прямому напрямку. Як відомо, у звичайних діодів у прямому напрямку падіння напруги на р-n-перехід при нагріванні зменшується. І якщо послідовно зі стабілітроном (рис. 6.3) включити діодів у прямому напрямку, де , (- Зміна прямого падіння напруги на діоді при нагріванні отдо), то можна майже повністю компенсувати температурну похибку стабілітрона.

Мал. 6.3. Термокомпенсація стабілітрона

Основні параметри стабілітронів:

Граничні параметри стабілітронів:

Транзистори поділяються на біполярні та польові. Кожен із цих типів має свій принцип роботи та конструктивне виконання, однак, загальним для них є наявність напівпровідникових p-n структур.

Умовні графічні позначення (УДО) транзисторів наведено у таблиці:

Тип приладу				Умовне графічне позначення (УГО)
Біполярні	Біполярний p-n-p типу
	Біполярний n-p-n типу
Польові	З керуючим p-n переходом	З каналом p-типу
		З каналом n-типу
	З ізольованим затвором МОП транзистори	Із вбудованим каналом	Вбудований канал p-типу
			Вбудований канал n-типу
		З індукованим каналом	Індукований канал p-типу
			Індукований канал n-типу

Біполярні транзистори

Визначення "біполярний" вказує на те, що робота транзистора пов'язана з процесами, в яких беруть участь носії заряду двох типів – електрони та дірки.

Транзистором називається напівпровідниковий прилад із двома електронно-дірковими переходами, призначений для посилення та генерування електричних сигналів. У транзисторі використовуються обидва типи носіїв – основні та неосновні, тому його називають біполярним.

Біполярний транзистор складається з трьох областей монокристалічного напівпровідника з різним типом провідності: емітера, бази та колектора.

• Е - емітер,
• Б - база,
• К - колектор,
• ЕП - емітерний перехід,
• КП - колекторний перехід,
• W – товщина бази.

Кожен із переходів транзистора можна включити або у прямому, або у зворотному напрямку. Залежно від цього розрізняють три режими роботи транзистора:

1. Режим відсічки – обидва p-n переходи закриті, причому через транзистор зазвичай йде порівняно невеликий струм
2. Режим насичення – обидва p-n переходи відкриті
3. Активний режим – один із p-n переходів відкритий, а інший закритий

У режимі відсікання та режиму насичення керування транзистором неможливо. Ефективне керування транзистором здійснюється лише в активному режимі. Цей режим є основним. Якщо емітерному переході напруга пряме, але в колекторному – зворотне, то включення транзистора вважають нормальним, при протилежної полярності – інверсним.

У нормальному режимі колекторний p-n перехід закритий, емітерний відкритий. Струм колектора пропорційний струму бази.

Рух носіїв заряду в транзисторі n-p-n типу показано на малюнку:

При підключенні емітера до негативного затиску джерела живлення виникає емітерний струм Iе. Так як зовнішнє напруження прикладено до емітерного переходу у прямому напрямі, електрони долають перехід і потрапляють у область бази. База виконана з p-напівпровідника, тому електрони є для неї неосновними носіями заряду.

Електрони, що потрапили в область бази, частково рекомбінують із дірками бази. Однак базу зазвичай виконують дуже тонкою з p-провідника з великим питомим опором (малим вмістом домішки), тому концентрація дірок в базі низька і лише деякі електрони, що потрапили в базу, рекомбінують з її дірками, утворюючи базовий струм Iб. Більшість електронів внаслідок теплового руху (дифузія) і під дією поля колектора (дрейф) досягають колектора, утворюючи складову колекторного струму Iк .

Зв'язок між прирощеннями емітерного та колекторного струмів характеризується коефіцієнтом передачі струму

Як випливає з якісного розгляду процесів, що відбуваються в біполярному транзисторі, коефіцієнт передачі струму завжди менше одиниці. Для сучасних біполярних транзисторів α = 0,9 ÷ 0,95

При Iе ≠ 0 струм колектора транзистора дорівнює:

У розглянутій схемі включення базовий електрод є загальним для емітерного та колекторного ланцюгів. Таку схему включення біполярного транзистора називають схемою із загальною базою, при цьому емітерний ланцюг називають вхідним, а колекторним – вихідним. Однак, таку схему включення біполярного транзистора застосовують дуже рідко.

Три схеми включення біполярного транзистора

Розрізняють схему включення із загальною базою, загальним емітером, загальним колектором. Схеми для p-n-p транзистора показані на малюнках а, б, в:

У схемі із загальною базою (рис. а) електрод база є загальним для вхідного та вихідного ланцюга, у схемі із загальним емітером (рис. б) загальним є емітер, у схемі із загальним колектором (рис. в) загальним є колектор.

На малюнку показано: Е1 – живлення вхідного ланцюга, Е2 – живлення вихідного ланцюга, Uвх – джерело сигналу, що посилюється.

Як основна прийнята схема включення, в якій загальним електродом для вхідного та вихідного ланцюга є емітер (схема включення біполярного транзистора із загальним емітером). Для такої схеми вхідний контур проходить через перехід база-емітер і в ньому виникає струм бази:

Мінімальне значення струму бази у вхідному контурі зумовило широке застосування схеми із загальним емітером.

Біполярний транзистор у схемі із загальним емітером (ОЕ)

У транзисторі, включеному за схемою ОЕ, залежність між струмом і напругою у вхідному ланцюзі транзистора Iб = f1 (Uбе) називають вхідною або базовою вольт-амперною характеристикою (ВАХ) транзистора. Залежність струму колектора від напруги між колектором та емітером при фіксованих значеннях струму бази Iк = f2 (Uке), Iб – const називають сімейством вихідних (колекторних) характеристик транзистора.

Вхідна та вихідна ВАХ біполярного транзистора середньої потужності типу n-p-n наведені на малюнку:

Як видно з малюнка, вхідна характеристика практично не залежить від напруги Uкэ. Вихідні характеристики приблизно рівновіддалені один від одного і майже прямолінійні в широкому діапазоні зміни напруги Uкэ.

Залежність Iб = f(Uбе ) є експоненційною залежністю, характерною для струму прямозміщеного p-n переходу. Оскільки струм бази – рекомбінаційний, його Iб величина в β разів менше, ніж інжектований струм емітера Iэ . При зростанні колекторної напруги Uк вхідна характеристика зміщується в область великих напруг Uб. Це з тим, що внаслідок модуляції ширини бази (ефект Ерлі) зменшується частка рекомбінаційного струму основу біполярного транзистора. Напруга Uбе не перевищує 0,6 ... 0,8 В. Перевищення цього значення призведе до різкого збільшення струму, що протікає через відкритий емітерний перехід.

Залежність Iк = f(Uкэ ) показує, що струм колектора прямопропорційний току бази: Iк = B · Iб

Параметри біполярного транзистора

Подання транзистора в малосигнальному режимі роботи чотириполюсником

У малосигнальному режимі роботи транзистор може бути представлений чотириполюсником. Коли напруги u1, u2 і струми i1, i2 змінюються за синусоїдальним законом, зв'язок між напругами і струмами встановлюється за допомогою Z, Y, параметрів h.

Потенціали 1", 2", 3 однакові. Транзистор зручно описувати за допомогою h-параметрів.

Електричний стан транзистора, включеного за схемою із загальним емітером, характеризується чотирма величинами: Iб, Uбе, Iк і Uкэ. Дві з цих величин вважатимуться незалежними, а інші можуть бути виражені через них. З практичних міркувань як незалежні зручно вибирати величини Iб і Uкэ. Тоді Uбе = f1 (Iб, Uкэ) і Iк = f2 (Iб, Uкэ).

У підсилювальних пристроях вхідними сигналами є збільшення вхідних напруг та струмів. У межах лінійної частини характеристик для прирощень Uбе та Iк справедливі рівність:

Фізичний зміст параметрів:

Для схеми з ОЕ коефіцієнти записуються з індексом Е: h11е, h12е, h21е, h22е.

У паспортних даних вказують h21е = β h21б = α. Ці параметри характеризують якість транзистора. Для підвищення значення h21 необхідно або зменшити ширину бази W, або збільшити дифузійну довжину, що досить складно.

Складові транзистори

Для збільшення значення h21 з'єднують біполярні транзистори за схемою Дарлінгтон:

У складовому транзисторі, що має характеристики, як одного, база VT1 з'єднана з емітером VT2 і Iе2 = Iб1 . Колектори обох транзисторів з'єднані і це висновок є висновком складеного транзистора. База VT2 грає роль бази складеного транзистора ΔIб = ΔIб2, а емітер VT1 - роль емітера складеного транзистора ΔIе = ΔI1.

Отримаємо вираз для коефіцієнта посилення струму β для схеми Дарлінгтона. Виразимо зв'язок між зміною струму бази dIб і викликаним внаслідок цього зміною струму колектора dIк складеного транзистора наступним чином:

Оскільки для біполярних транзисторів коефіцієнт посилення струму зазвичай становить кілька десятків (β1 , β2 >> 1), то сумарний коефіцієнт посилення складеного транзистора визначатиметься добутком коефіцієнтів посилення кожного з транзисторів βΣ = β1 · β2 і може бути досить великим за величиною.

Зазначимо особливості режиму роботи таких транзисторів. Оскільки емітерний струм VT2 Iэ2 є базовим струмом VT1 dIб1 , то, отже, транзистор VT2 повинен працювати у мікропотужному режимі, а транзистор VT1 – як великої інжекції, їх емітерні струми відрізняються на 1-2 порядку. При такому неоптимальному виборі робочих характеристик біполярних транзисторів VT1 і VT2 не вдається у кожному досягти високих значень посилення струму. Проте навіть при значеннях коефіцієнтів посилення β1, β2 ≈ 30 сумарний коефіцієнт посилення βΣ складе βΣ ≈ 1000.

Високі значення коефіцієнта посилення у складових транзисторах реалізуються лише статистичному режимі, тому складові транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. У схемах на високих частотах складові транзистори вже не мають таких переваг, навпаки, і гранична частота посилення струму, і швидкодія складових транзисторів менше, ніж ці параметри для кожного з транзисторів VT1 , VT2 окремо.

Частотні властивості біполярних транзисторів

Процес поширення інжектованих основою неосновних носіїв заряду від емітерного до колекторного переходу йде дифузійним шляхом. Цей процес є досить повільним, і інжектовані з емітера носії досягнуть колектора не раніше ніж за час дифузії носіїв через базу. Таке запізнення призведе до зсуву фаз між струмом Iе і струмом Iк. При низьких частотах фази струмів Iе, Iк та Iб збігаються.

Частота вхідного сигналу, при якій модуль коефіцієнта посилення зменшується в раз порівняно зі статичним значенням β0 називається граничною частотою посилення по струму біполярного транзистора в схемі із загальним емітером

Fβ – гранична частота (частота зрізу)
fгр - гранична частота (частота одиничного посилення)

Польові транзистори

Польові, або уніполярні, транзистори як основний фізичний принцип використовують ефект поля. На відміну від біполярних транзисторів, у яких обидва типи носіїв, як основні, так і неосновні, відповідальні за транзисторний ефект, у польових транзисторах для реалізації транзисторного ефекту застосовується лише один тип носіїв. З цієї причини польові транзистори називають уніполярними. Залежно від умов реалізації ефекту поля польові транзистори діляться на два класи: польові транзистори з ізольованим затвором та польові транзистори з керуючим p-n переходом.

Польові транзистори з керуючим p-n переходом

Схематично польовий транзистор з керуючим p-n переходом можна подати у вигляді пластини, до торців якої підключені електроди, витік і стік. На рис. показана структура та схема включення польового транзистора з каналом n-типу:

У транзисторі з n-каналом основними носіями заряду в каналі є електрони, які рухаються вздовж каналу від витоку з низьким потенціалом до стоку з більш високим потенціалом, утворюючи струм стоку Ic. Між затвором і витоком прикладена напруга, що замикає p-n перехід, утворений n-областю каналу і p-областю затвора.

При подачі напруги, що замикає, на p-n-перехід Uзі на межах каналу виникає рівномірний шар, збіднений носіями заряду і що володіє високим питомим опором. Це призводить до зменшення провідної ширини каналу.

Змінюючи величину цієї напруги, можна змінити переріз каналу і, отже, змінювати величину електричного опору каналу. Для польового n-канального транзистора потенціал стоку позитивний по відношенню до потенціалу витоку. При заземленому затворі від стоку до початку протікає струм. Тому для припинення струму на затвор потрібно подати зворотну напругу кілька вольт.

Значення напруги Uзі , при якому струм через канал стає практично рівним нулю, називається напругою відсічки Uзап

Таким чином, польовий транзистор із затвором у вигляді p-n-переходу є опір, величина якого регулюється зовнішньою напругою.

Польовий транзистор характеризується наступним ВАХ:

Тут залежності струму стоку Iс від напруги при постійній напрузі на затворі Uзі визначають вихідні, або стічні характеристики польового транзистора. На початковій ділянці параметрів Uсі + | Uзі |< Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

На ВАХ Iс = f(Uзі) показано напругу Uзап. Так як Uзі ≤ 0 p-n-перехід закритий і струм затвора дуже малий, порядку 10 -8 …10-9 Атому до основних переваг польового транзистора, порівняно з біполярним, відноситься високий вхідний опір, порядку 10 10 …1013 Ом. Крім того, вони відрізняються малими шумами та технологічністю виготовлення.

Практичне застосування мають дві основні схеми включення. Схема із загальним витоком (рис. а) та схема із загальним стоком (рис. б), які показані на малюнку:

Польові транзистори із ізольованим затвором
(МДП-транзистори)

Термін "МДП-транзистор" використовується для позначення польових транзисторів, в яких керуючий електрод - затвор - відокремлений від активної області польового транзистора діелектричним прошарком - ізолятором. Основним елементом цих транзисторів є структура метал-діелектрик-напівпровідник (М-Д-П).

Технологія МДП-транзистора із вбудованим затвором наведена на малюнку:

Вихідний напівпровідник, у якому виготовлений МДП-транзистор, називається підкладкою (висновок П). Дві сильнолеговані області n+ називається витоком (І) та стоком (С). Область підкладки під затвором (З) називається вбудованим каналом (n-канал).

Фізичною основою роботи польового транзистора зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник є ефект поля. Ефект поля полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля змінюється концентрація вільних носіїв заряду приповерхневої області напівпровідника. У польових приладах із структурою МДП зовнішнє поле обумовлено прикладеною напругою на металевий електрод-затвор. Залежно від знака та величини прикладеної напруги можуть бути два стани області просторового заряду (ОПЗ) у каналі – збагачення, збіднення.

Режиму збіднення відповідає негативна напруга Uзі , при якому концентрація електронів у каналі зменшується, що призводить до зменшення струму стоку. Режиму збагачення відповідає позитивна напруга Uзі та збільшення струму стоку.

ВАХ представлена ​​на малюнку:

Топологія МДП-транзистора з індукованим (наведеним) каналом р-типу наведена на малюнку:

При Uзі = 0 канал відсутній і Ic = 0. Транзистор може працювати лише у режимі збагачення Uзі< 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

ВАХ представлена ​​на малюнку:

У МДП-транзисторах затвор відокремлений від напівпровідника шаром оксиду SiO2. Тому вхідний опір таких транзисторів порядку 1013...1015 Ом.

До основних параметрів польових транзисторів належать:

• Крутизна характеристики за Uсп = const, Uпі = const. Типові значення параметра (0,1...500) мА/В;
• Крутизна характеристики підкладці при Uсп = const, Uзі = const. Типові значення параметра (0.1...1) мА/В;
• Початковий струм стоку Iс.поч. - Струм стоку при нульовому значенні напруги Uзі . Типові значення параметра: (0,2...600) мА – для транзисторів з керуючим каналом p-n переходом; (0,1...100) мА – для транзисторів із вбудованим каналом; (0,01...0,5) мкА - для транзисторів з індукованим каналом;
• Напруга відсічення Uзі. . Типові значення (0,2...10); гранична напруга Uп. Типові значення (1...6);
• Опір сток-витік у відкритому стані. Типові значення (2..300) Ом
• Диференціальний опір (внутрішній): при Uзі = const;
• Статистичний коефіцієнт посилення: μ = S · ri

Тиристори

Тиристор є напівпровідниковим приладом з трьома та більш електронно-дірковими p-n-переходами. Вони в основному застосовуються як електронні ключі. Залежно від кількості зовнішніх висновків вони поділяються на тиристори із двома зовнішніми висновками – динистори і тиристори з трьома висновками – триністори. Для позначення тиристорів прийнято літерний символ VS.

Пристрій та принцип роботи диністора

Структура, УГО та ВАХ диністора наведені на малюнку:



Зовнішня p-область називається анодом (А), зовнішня n-область називається катодом (К). Три p-n переходи позначені цифрами 1, 2, 3. Структура диністора 4-х-шарова – p-n-p-n.

Живляча напруга Е подається на диністор таким чином, що 1 з 3 переходи відкриті і їх опору незначні, а перехід 2 закритий і всі напруга, що живлять Uпр прикладено до нього. Через диністор протікає невеликий зворотний струм, навантаження R відключена джерела струму живлення Е.

При досягненні критичної напруги, рівної напруги включення Uвкл перехід 2 відкривається, при цьому всі три переходи 1, 2, 3 будуть у відкритому (включеному) стані. Опір диністора падає до десятих часток Ома.

Напруга включення становить величину кількох сотень вольт. Диністор відкривається, і через нього протікають значні за величиною струми. Падіння напруги на диністорі у відкритому стан становить 1-2 вольта і мало залежить від величини струму, що протікає, величина якого дорівнює τa ≈ E / R, а UR ≈ E, тобто. навантаження підключено до джерела живлення Е. Напруга на диністорі, відповідне гранично допустиму точку Iоткр.max називається напругою відкритого стану Uокр . Граничний допустимий струм становить величини від сотень мА до сотень А. Діністор знаходиться у відкритому стані, поки струм, що протікає через нього, не стане менше струму утримання Iуд . Диністор закривається при зменшенні зовнішньої напруги до величини порядку 1В або зміні полярності зовнішнього джерела. Тому такий пристрій використовується в ланцюгах перехідного струму. Точки В і Г відповідають граничним значенням струмів та напруги диністора. Час відновлення опору переходу 2 після зняття напруги живлення становить порядку 10-30 мкс.

Діністори за своїм принципом – прилади ключової дії. У включеному стані (ділянка БВ) він подібний до замкнутого ключа, а у вимкненому (ділянка ОГ) - розімкнутого ключа.

Пристрій та принцип роботи тиристора (триністора)

Триністор є керованим приладом. Він містить керуючий електрод (УЕ), що підключається до напівпровідника р-типу або напівпровідника n-типу середнього переходу 2.

Структура, УГО та ВАХ триністора (зазвичай називають тиристором) наведені на малюнку:



Напруга Uвикл, при якому починається лавиноподібне наростання струму, може бути знижене введенням неосновних носіїв заряду в будь-який з шарів, прилеглих до переходу 2. Якою мірою знижується Uвкл показано на ВАХ. Важливим параметром є струм, що відпирає, управління Iу.от , який забезпечує перемикання тиристора у відкритий стан при напругах, менших напруги Uвкл . На малюнку показано три значення напруга увімкнення UI вкл.< Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от >Un у.от > Um у.від.

Розглянемо найпростішу схему з тиристором, навантаженим на резисторне навантаження Rн






• Iа – струм анода (силовий струм у ланцюзі анод-катод тиристора);
• Uак – напруга між анодом та катодом;
• Iу - струм керуючого електрода (у реальних схемах використовують імпульси струму);
• Uук – напруга між керуючим електродом та катодом;
• Uпит – напруга живлення.

Для перекладу тиристора у відкритий стан електрод, що не керує, подається від схеми формування імпульсів короткочасний (порядку декількох мікросекунд) керуючий імпульс.

Характерною особливістю аналізованого незапираемого тиристора, який дуже широко використовується на практиці, є те, що його не можна вимкнути за допомогою струму управління.

Для виключення тиристора на практиці на нього подають зворотну напругу Uак< 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Пристрій та принцип роботи симістора

Широко використовують так звані симетричні тиристори (симістори, тріаки). Кожен симистор подібний до пари розглянутих тиристорів, включених зустрічно-паралельно. Симетричні триністори є керованим приладом із симетричною вольт-амперною характеристикою. Для отримання симетричної характеристики використовуються двосторонні напівпровідникові структури типу p-n-p-n-p.

Структура симистора, його УГО та ВАХ наведені на малюнку:



Симистор (триак) містить два тиристори p1-n1-p2-n2 і p2-n2-p1-n4, включених зустрічно-паралельно. Симистор містить 5 переходів П1-П2-П3-П4-П5. За відсутності керуючого електрона УЕ Сімістор називається дияком.

При позитивній полярності на електроді Е1 здійснюється тиристорний ефект p1-n1-p2-n2, а при протилежній полярності в p2-n1-p1-n4.

При подачі керуючого напруги на УЕ залежно від його полярності та величини змінюється напруга перемикача Uвкл

Тиристори (диністори, триністори, симістори) є основними елементами в силових пристроях електроніки. Існує тиристори, для яких напруга перемикання більша, ніж 1 кВ, а максимально допустимий струм більший, ніж 1 кА

Електронні ключі

Для підвищення коефіцієнта корисної дії пристроїв силової електроніки широко використовується імпульсний режим діодів, транзисторів і тиристорів. Імпульсний режим характерний різкими змінами струмів та напруг. В імпульсному режимі діоди, транзистори та тиристори використовуються як ключі.

За допомогою електронних ключів виконується комутація електронних схем: підключення/відключення схеми до джерел електроенергії або сигналу, підключення або відключення елементів схем, зміна параметрів елементів схем, зміна виду джерела сигналу, що впливає.

УГО ідеальних ключів показано на малюнку:

Ключі, що працюють на замикання та розмикання відповідно.




Ключовий режим характеризується двома станами: "увімкнено"/"вимкнено".

Ідеальні ключі характеризуються миттєвою зміною опору, яка може набувати значення 0 або ∞. Падіння напруги на ідеальному замкнутому ключі дорівнює 0. При розімкнутому ключі струм дорівнює 0.

Реальні ключі також характеризуються двома крайніми значеннями опору Rmax і Rmin. Перехід від одного значення опору до іншого у реальних ключах відбувається за кінцевий час. Падіння напруги на реальному замкнутому ключі не дорівнює нулю.

Ключі поділяються на ключі, що використовуються в малопотужних схемах, та ключі, що використовуються в силових схемах. Кожен із цих класів має свої характеристики.

Ключі, які використовуються в малопотужних схемах, характеризуються:

1. Опірами ключа у відкритому та закритому станах;
2. Швидкодія - часом переходу ключа з одного стану в інший;
3. Падінням напруги на замкнутому ключі та струмом витоку розімкнутого ключа;
4. Перешкодостійкість - здатність ключа залишатися в одному зі станів при впливі перешкод;
5. Чутливістю ключа - величиною управляючого сигналу, що переводить ключ з одного стану до іншого;
6. Пороговим напругою – значенням керуючого напруги, навколо якого відбувається різке зміна опору електронного ключа.

Діодні електронні ключі

Найпростіший тип електронних ключів – діодні ключі. Схема діодного ключа, статична передатна характеристика, ВАХ та залежність диференціального опору від напруги на діоді показані на малюнку:

Принцип роботи діодного електронного ключа заснований на зміні величини диференціального опору напівпровідникового діода на околицях порогового значення напруги на діоді Uпор. На малюнку "в" показана вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода, на якій показано значення Uпор. Це значення знаходиться на перетині осі напруги з дотичної, проведеної до висхідного учасника вольт-амперної характеристики.

На малюнку "г" показано залежність диференціального опору від напруги на діоді. З малюнка випливає, що в околиці порогової напруги 0,3 відбувається різка зміна диференціального опору діода з крайніми значеннями 900 і 35 Ом (Rmin = 35 Ом, Rmax = 900 Ом).

У стані "включено" діод відкритий і , Uвих ≈ Uвх .

У стані "вимкнено" діод закритий і , Uвих ≈ Uвх · Rн / Rmax<

З метою зменшення часу перемикання діоди, що використовуються, з малою ємністю переходу порядку 0,5-2 пФ, при цьому забезпечується час вимикання порядку 0,5-0,05 мкс.

Діодні ключі не дозволяють електрично розділити керуючу та керовану ланцюга, що часто потрібно в практичних схемах.

Транзисторні ключі

В основі більшості схем, що використовуються у обчислювальних машинах, пристроях телеуправління, системах автоматичного керування тощо, лежать транзисторні ключі.

Схеми ключа на біполярному транзисторі і ВАХ показані на малюнку:

Перший стан "вимкнено" (транзистор закритий) визначається точкою А1 на вихідних характеристиках транзистора; його називають режимом відсічення. У режимі відсікання струм бази Iб = 0, колекторний струм Iк1 дорівнює початковому колекторному струму, а колекторна напруга Uк = Uк1 ≈ Ек . Режим відсічення реалізується при Uвх = 0 або за негативних потенціалів бази. У цьому стані опір ключа досягає максимального значення: Rmax = де RT - опір транзистора в закритому стані, більше 1 МОм.

Другий стан "включено" (транзистор відкритий) визначається точкою А2 на ВАХ і називається режимом насичення. З режиму відсічення (А1) у режимі насичення (А2) транзистор перекладається позитивною вхідною напругою Uвх. У цьому напруга Uвых приймає мінімальне значення Uк2 = Uк.э.нас порядку 0,2-1,0 B, струм колектора Iк2 = Iк.нас ≈ Ек /Rк . Струм бази як насичення визначається з умови: Iб > Iб.нас = Iк.нас / h21 .

Вхідна напруга, необхідна для переведення транзистора у відкритий стан, визначається за умови: U вх > Iб.нас · Rб + Uк.е.нас

Хороша помехозащищенность і мала потужність, рассеиваемая в транзисторі, пояснюється тим, що транзистор більшу частину часу насичений (А2), або закритий (А1), а час переходу з одного стану в інший становить малу частину від тривалості цих станів. Час перемикання ключів на біполярних транзисторах визначається бар'єрними ємностями р-n-переходів та процесами накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі.

Для підвищення швидкодії та вхідного опору застосовуються ключі на польових транзисторах.

Схеми ключів на польових транзисторах з керуючим p-n-переходом та з індукованим каналом із загальним витоком та загальним стоком показані на малюнку:

Для будь-якого ключа на польовому транзисторі Rн > 10-100 кОм.

Керуючий сигнал Uвх на затворі порядку 10-15 Ст. Опір польового транзистора в закритому стані велике, порядку 108 -109 Ом.

Опір польового транзистора у відкритому стані може становити 7-30 Ом. Опір польового транзистора ланцюгом управління може становити 108 -109 Ом. (схеми "а" і "б") та 1012 -1014 Ом (схеми "в" і "г").

Силові (потужні) напівпровідникові прилади

Потужні напівпровідникові прилади знаходять застосування в енергетичній електроніці, що найбільш інтенсивно розвивається і перспективної галузі техніки. Вони призначені для управління струмами в десятки, сотні ампер, напругою в десятки, сотні вольт.

До потужних напівпровідникових приладів відносяться тиристори (диністори, триністори, симістори), транзистори (біполярні та польові) та біполярні статично індуковані транзистори (IGBT). Вони використовуються як електронні ключі, що виконують комутацію електронних схем. Їхні характеристики намагаються наблизити до характеристик ідеальних ключів.

За принципом дії, характеристиками і параметрами потужні транзистори подібні до малопотужних, проте є певні особливості.

Силові польові транзистори

Нині польовий транзистор одна із найперспективніших силових приладів. Найбільш широко використовуються транзистори з ізольованим затвором та індукованим каналом. Для зменшення опору каналу зменшують його довжину. Для збільшення струму стоку транзисторі виконують сотні і тисячі каналів, причому канали з'єднують паралельно. Імовірність саморозігріву польового транзистора мінімальна, т.к. опір каналу збільшується зі збільшенням температури.

Силові польові транзистори мають вертикальну структуру. Канали можуть розташовуватися як вертикально, і горизонтально.

ДМДП-транзистор

Цей транзистор МДП типу, виготовлений методом подвійної дифузії, має горизонтальний канал. На малюнку показано елемент структури, що містить канал.

VМДП-транзистор

Цей V-подібний МДП транзистор має вертикальний канал. На малюнку показано один елемент структури, що містить два канали.

Легко помітити, що структури VМДП-транзистора та ДМДП-транзистора подібні.

IGBT-транзистор

IGBT – напівпровідниковий гібридний прилад. У ньому поєднані два способи керування електричним струмом, один з яких характерний для польових транзисторів (управління електричним полем), а другий – для біполярних (управління інжекцією електрики).

Зазвичай IGBT використовується структура МДП-транзистора з індукованим каналом n-типу. Структура цього транзистора відрізняється від структури ДМДП транзистора додатковим шаром напівпровідника р-типу.

Звернемо увагу на те, що для позначення електродів IGBT прийнято використовувати терміни "емітер", "колектор" та "затвор".

Додавання шару р-типу призводить до утворення другої структури транзистора біполярного (типу p-n-p). Таким чином, у IGBT є дві біполярні структури – типу n-p-n та типу p-n-p.

УГО та схема вимикання IGBT показані на малюнку:

Типовий вид вихідних характеристик показано малюнку:

SIT-транзистор

SIT - польовий транзистор з керуючим p-n переходом зі статичною індукцією. Є багатоканальним та має вертикальну структуру. Схематичне зображення SIT та схема включення із загальним джерелом показані на малюнку:

Області напівпровідника р-типу мають форму циліндрів, діаметр яких становить одиниці мікрометрів та більше. Ця система циліндрів відіграє роль затвора. Кожен циліндр приєднано до електрода затвора (на малюнку "а" електрод затвора умовно не показаний).

Пунктиром позначені області p-n-переходів. Реальна кількість каналів може становити тисячі. Зазвичай SIT використовується у схемах із загальним джерелом.

Кожен із розглянутих приладів має свою сферу застосування. Ключі на тиристорах застосовуються у пристроях, що працюють на низьких частотах (кілогерці та нижче). Основним недоліком таких ключів є низька швидкодія.

Основною сферою застосування тиристорів є низькочастотні пристрої з великою потужністю, що комутується, аж до декількох мегават, що не пред'являють серйозних вимог до швидкодії.

Потужні біполярні транзистори застосовуються як високовольтні ключі в пристроях з частотою комутації або перетворення, що знаходиться в діапазоні 10-100 кГц, при рівні вихідної потужності від одиниць Вт до кількох кВт. Оптимальний діапазон напруг, що комутуються, 200-2000 В.

Польові транзистори (MOSFET) застосовуються як електронні ключі для комутації низьковольтних високочастотних пристроїв. Оптимальні значення комутованих напруг не перевищують 200 В (максимальне значення до 1000 В), при цьому частота комутації може бути в межах від одиниць кГц до 105 кГц. Діапазон комутованих струмів становить 1,5-100 А. Позитивними властивостями цього приладу є керованість напругою, а не струмом, і менша залежність від температури порівняно з іншими приладами.

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT) застосовуються на частотах менше 20 кГц (деякі типи приладів застосовуються на частотах більше 100 кГц) при потужності, що комутуються, вище 1 кВт. Комутована напруга не нижче 300-400 В. Оптимальні значення комутованих напруг понад 2000 В. IGBT і MOSFET вимагають для повного включення напруги не вище 12-15 В, для закриття приладів не потрібно подавати негативну напругу. Вони характеризуються високими швидкостями перемикання.

Матеріал для підготовки до атестації