Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Привет всем читателям "Радиосхем", меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами о полупроводниках и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы  начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды – не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.

Вы знаете как работает простой проводник - ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор – это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный  проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки.

Дырки – это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Теперь разберёмся - как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает  двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.

Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p - это positive (позитив, положительный), n - negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да - мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p - положительный является анодом, n - отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска - она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование.

Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.

Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток - это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.

Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.

Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия - сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону - это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.

Биополярные и полевые транзисторы

Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а  полевые пока не будем трогать - отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура – это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и  n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод - эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод - коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть "n", дальше эмиттер - принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.

Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать - транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.

Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n. 

На этом статья закончена, если что-то не понятно - обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын.

   Форум по теории электроники

   Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

5. Полупроводниковые диоды и транзисторы СВЧ. Приборы СВЧ и оптического диапазона. Курс лекций

5.1. Классификация полупроводниковых СВЧ диодов.Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ

5.2. Детекторные диоды СВЧ

5. 3. Смесительные диоды СВЧ

5.4. Переключательные диоды СВЧ

5.5. Биполярные СВЧ транзисторы

5.6. Полевые СВЧ транзисторы

5.1. Классификация полупроводниковых СВЧ диодов. Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ

Сверхчастотный полупроводниковый диод (СВЧ-диод) – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхчастотного сигнала.

Полупроводниковые СВЧ-диоды уже длительное время применяют в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной технике СВЧ-диапазона, т.е. на частотах более 300 МГц. Сначала СВЧ-диоды использовали для детектирования и смещения сигналов. Для этих целей применяли точечные диоды, выпрямляющий электрический переход в которых возникал между кристаллом полупроводника и прижимным металлическим электродом в виде заостренной пружинки. Созданные в последнее время новые типы СВЧ-диодов практически целиком заменили точечные детекторные и смесительные диоды. Они дают возможность решать задачи генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования, ограничения сигналов и т.п.

На сверхвысоких частотах могут работать такие СВЧ-диоды как детекторные, смесительные, параметрические, настроечные, переключательные, лавинно-пролетные, генераторы Ганна и др.

5.2. Детекторные диоды СВЧ

Детекторный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для детектирования сигнала.

При детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения из модулированных по амплитуде ВЧ- или СВЧ-колебаний сигнала более низкой частоты, который потом поступает на вход усилителя (рисунок).

Одним из основных параметров детекторных СВЧ-диодов является чувствительность по току b 1 – отношение приращения выпрямленного тока при заданной нагрузке в выходной цепи диода к мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диодной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме и вызвавшей это приращение. Чувствительность по току детекторного диода зависит от постоянного прямого тока смещения. Наибольшие значения чувствительности по току обычно получаются при прямом токе смещения в несколько десятков микроампер, но при выборе тока смещения необходимо учитывать его влияние и на другие параметры.

Обобщенным параметром детекторного диода, учитывающим различные свойства диода и следующего за ним усилителя (видеоусилителя), является коэффициент качества детекторного диода, который характеризует чувствительность приемного устройства с детекторным диодом и определяется по формуле: где rдиф – дифференциальное сопротивление диода при определенном положительном смещении; nш – шумовое отношение СВЧ-диода; rш – эквивалентное шумовое сопротивление видеоусилителя, которое обычно принимают при расчетах равным 1 кОм.

Лучшие детекторные СВЧ-диоды имеют коэффициент качества более 100 Вт –1/2. К таким диодам можно отнести, например, диоды Шоттки с планарно-эпитаксиальной структурой на основе арсенида галлия АА204А…АА204В, предназначенные для детектирования в сантиметровом диапазоне длин волн.

5.3. Смесительные диоды СВЧ

Смесительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

К смесительному диоду подводится сигнал и напряжение от специального генератора – гетеродина. В связи с нелинейностью ВАХ диода происходит образование сигнала разностной (промежуточной) частоты. Дальнейшее усиление входного сигнала осуществляется на этой промежуточной частоте, которая должна быть выше частот, соответствующим низкочастотным шумам, обратно пропорциональным частоте.

Основным параметром смесительных диодов, определяющим эффективность преобразования входных сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты, является параметр Lпрб называемый потери преобразования смесительного диода и равный отношению мощности СВЧ-сигнала на входе диодной камеры к мощности сигнала промежуточной частоты, выделяемой в нагрузке смесительного диода в рабочем режиме:

В большинстве приемных устройств СВЧ-диапазона отсутствуют усилители перед смесителем.

Поэтому чувствительность всего приемного устройства, возможность различить полезный сигнал на фоне шумов зависят от уровня шумов смесительного диода. Уровень шумов смесительного диода (и других приборов) оценивают шумовым отношением nш – отношением номинальной мощности шумов диода в рабочем режиме к номинальной мощности тепловых шумов соответствующего активного сопротивления при той же температуре и одинаковой полосе частот.

Другим параметром, характеризующим шумы смесительного диода и других приборов и систем, является коэффициент шума – отношение мощности шумов на выходе к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала:

Обобщенным параметром приемного устройства, в смесителе которого использован диод с определенными потерями преобразования и шумовым соотношением, является нормированный коэффициент шума – значение коэффициента шума приемного устройства со смесительным диодом на входе при коэффициенте шума усилителя промежуточной частоты Fупч, равном 1,5 дБ:

Одним из вспомогательных параметров смесительных диодов служит выпрямительный ток Iвп – постоянная составляющая тока, протекающая в выходной цепи диода в рабочем режиме. Этот параметр используется для контроля исправности смесительного диода и гетеродина приемника, от которого на смесительный диод подается определенная мощность СВЧ-колебаний с определенной длинной волны.

Другим вспомогательным параметром является коэффициент стоячей волны по напряжению СВЧ-диода Kст U – коэффициент стоячей волны по напряжению в передающей линии СВЧ, когда она нагружена на определенную диодную камеру с СВЧ-диодом в рабочем режиме. Чем лучше согласовано входное сопротивление камеры (с диодом) с волновым сопротивлением тракта, тем меньше коэффициент стоячей волны по напряжению и потери принимаемого сигнала.

5.4. Переключательные диоды СВЧ

Переключательный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ-сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ-тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ0сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ-импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.

Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ-диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ-мощность в состоянии пропускания и не пропускать – в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большой скоростью переключения.

Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота fкр, которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле: где Сстр – емкость структуры; rпр – прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; rобр – обратное сопротивление потерь при определенном обратном напряжении смещения.

Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ-диодов имеет p-i-n-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между p- и n-областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводимостью (рисунок).

Практически p-i-n-структуру для переключательных СВЧ-диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т.е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (p -слой), либо с небольшой концентрацией доноров (n -слой). Энергетическая диаграмма, распределение примесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-p -n-структурах показаны на рисунке. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.

Диоды с p-i-n-структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависят от напряжения (особенно при больших концентрациях примесей в p- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры от напряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так как изменение емкости с напряжением может вызвать дополнительные частотные искажения полезного сигнала.

Пробивное напряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, что существенно превышает пробивное напряжение диодов с обычным p-n-переходом и с таким же уровнем легирования прилегающих областей.

Для переключательных СВЧ-диодов некоторых марок (2А523А-4 и др.) максимально допустимая мощность, которую может рассеять диод в непрерывном режиме, равна 20 Вт. Такие диоды представляют собой бескорпусные приборы с жесткими выводами – кристаллодержателями – и защитным покрытием. Диаметр их 2 мм, длина 3,6 мм.

Переключательный СВЧ-диод может работать при последовательном и при параллельном включении с линией передачи. В параллельной схеме при прямом смещении диод имеет небольшое сопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ-мощности отражается обратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ-тракта используют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ-мощности, что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ-мощности.

Недостатками переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина i-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.

Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на основе арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ-мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой.

5.5. Биполярные СВЧ транзисторы

Граничная частота. Частотные свойства транзисторов обычно характеризуются граничной частотой fгр, которая связана со временем задержки сигнала τ от эмиттера до коллектора:

fгр =1/2πτ (5.1)

Время задержки

τ = τэ.п+ τб + τк.п+ τк, (5.2)

где τэ.п — время зарядки емкости эмиттерного перехода; τб — время пролета носителей заряда через базовую область; τк.п — время задержки в коллекторном переходе, связанное с временем пролета; τк — время зарядки емкости коллекторного перехода.

Уменьшение ширины базовой области примерно до 0,1 мкм снижает τб до единиц пикосекунд. В этом случае граничная частота в основном будет определяться τэ.п и τк.п, которые примерно равны 10 пс. Поэтому для увеличения fгр необходимо выдвигать дополнительные требования: уменьшение емкости эмиттерното перехода Сэ. п, ширины коллекторного перехода dк и сопротивления коллекторной области rк, влияющего на значение τ к.

Однако требования, предъявляемые к СВЧ транзисторам, противоречивы. Например, повышение концентрации примеси, необходимое для уменьшения ширины коллекторного перехода (уменьшения dк), приводит к росту емкости этого перехода. Уменьшение площади перехода для снижения его емкости будет сопровождаться падением мощности транзистора. Необходимого уменьшения величин rк и dк можно добиться повышением концентрации примеси, но при это τ м произойдет сужение коллекторного перехода, увеличится емкость, а кроме того, снизится напряжение пробоя и выходная мощность. Таким образом, повышение граничной частоты биполярного транзистора сопровождается падением мощности и важнейшим ограничением является напряжение пробоя коллекторного перехода, которое зависит и от выбора полупроводникового материала.

Рассмотрим предельный случай, когда граничная частота определяется только временем задержки сигнала в коллекторном переходе τк.п, т. е.

fгр =1/2π τк.п (5.3)

Доказано, что τк.п примерно равно половине времени пролета носителей в коллекторном переходе (τк.п ≈ τпр/2).

Дрейфовая скорость при увеличении напряженности поля сначала возрастает линейно, а затем стремится к предельному значению, называемому скоростью насыщения vн. Эта зависимость скорости от напряженности доля объясняется в § 7.1. Скорость vн определяется материалом полупроводника и типом носителей заряда (электрон, дырка). Так как дрейфовая скорость носителей в переходе не может превышать значения vн, то минимальное время пролета τпр=dк /vн а максимальная граничная частота (5.3)

fгр = vн dк (5. 4)

Предположим, что поле Е в переходе однородное, а его значение, соответствующее началу пробоя, Епpoб. Тогда напряжение на переходе в начале пробоя Uпpoб ≈ Епpoбdк и (6.4) преобразуете к виду

fгрUпpoб Епpoб vн /π (5.5)

Максимальная напряженность поля Епpoб и Uпpoб, связанные между собой, зависят от концентрации примеси и формы перехода. С ростом концентрации Епpoб увеличивается, а Uпpoб уменьшается. При увеличении концентрации примеси в резком переходе от 1014 до 1017 см -3Епpoб изменяется в следующих пределах: у германия (1,5 — 3,1)•106 В/см, у кремния (3 — 6)•106 В/см, а у арсенида галлия (3,5—6,5)•106 В/см. Таким образом, Епpoб и Uпpoб у Si и GaAs почти одинаково и в 1,5 — 2 раза больше, чем у Ge. Скорость насыщения vн для электронов и дырок соответственно в Ge 6•106 и 8•106 см/с, в Si примерно равны 107 см/с, в GaAs — около 9•106 см/с. Произведение (5.5) составит для Ge, Si и GaAs примерно 200, 400 и 450 ГГц•B соответственно. Эти результаты можно заменить одним условием, ограничивающим частоту fгр:

fгрUпpoб ≤ 200ГГц•В.

При минимальном напряжении пробоя 2 В частота fгр ≈ 100 ГГц. Однако этот результат не может быть получен, так как в переходе значение поля не постоянно, а скорость не везде равна скорости насыщения. Кроме того, существуют конструктивные и технологические ограничения. Поэтому считают, что fгр. max ≈ 20 ГГц.

Влияние уровня инжекции на граничную частоту. На пути создания транзисторов с узкой базой имеются ограничения, связанные с большой плотностью тока в мощных транзисторах.

Одно из них состоит в том, что при большой плотности тока эмиттера возрастает напряжение, создаваемое базовым током на сопротивлении узкой базовой области (рис. 5.4). Если базовый электрод окружает эмиттер, то прямое напряжение на переходе в центре эмиттера, расстояние I от которого до базового электрода наибольшее (базовое сопротивление максимально), оказывается меньше, чем на периферии эмиттера. Поэтому ток в переходе будет существовать по периметру (эффект оттеснения тока эмиттера к периферии эмиттера). В этом случае площадь эмиттера используется неэффективно, в то время как емкость перехода определяется полной площадью. Таким образом, в мощных транзисторах целесообразно использовать очень узкие эмиттеры с большим общим периметром. Ширина эмиттерных полосок при плотности тока примерно 1000 А/см2 выбирается порядка нескольких микрометров.

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Еще одним ограничением при создании узкой базы в транзисторах с большой плотностью тока является смещение границы базовой области в сторону коллекторной области. При большой плотности тока в pnp-транзисторе концентрация дырок в коллекторном переходе становится сравнимой с концентрациями донорной и акцепторной примесей. В сечении, где распределение объемного заряда в переходе проходило ранее через нуль, теперь будет существовать положительный заряд дырок. Это означает, что весь коллекторный 'переход сместился в сторону коллекторной области, т. е. увеличилась ширина базовой области. Последнее приводит к росту рекомбинации инжектированных дырок в базовой области, снижению коэффициента передачи тока и уменьшению граничной частоты fгр вследствие роста времени пролета носителей в базовой области.

При большой плотности тока приходится также учитывать влияние сопротивления коллекторной области, так как обычно последняя является высокоомной и изготавливается путем эпитаксиального наращивания n-слоя на низкоомной подложке (n+-область). На рис. 6.5 показано типичное распределение концентрации основных носителей заряда в транзисторе с высокоомной коллекторной областью, которая необходима для уменьшения емкости коллекторного перехода и повышения напряжения пробоя. Однако с ростом коллекторного тока увеличивается падение напряжения на сопротивлении эпитаксиальной коллекторной n-области и напряжение на самом переходе уменьшается. Это вызовет уменьшение ширины коллекторного перехода, т. е. нежелательное расширение базовой области. При некотором токе коллектора напряжение на переходе пройдет через нулевое значение и транзистор из активного (усилительного) режима перейдет в режим насыщения.

Технологические ограничения. Формула (5.5) устанавливает для граничной частоты теоретический предел, который пока не достигнут. При выборе полупроводникового материала предпочтение отдается кремнию по технологическим соображениям. Главное преимущество кремния состоит в том, что появляющаяся на нем двуокись кремния может использоваться как маска в процессе диффузии примесей или как изолирующее диэлектрическое покрытие. Окислы германия и арсенида галлия менее стабильны, чем двуокись кремния.

Важными электрофизическими свойствами полупроводников, определяющими параметры транзистора, являются подвижность электронов и дырок, диэлектрическая постоянная и теплопроводность. Подвижность определяет время пролета носителей, в базе и сопротивления областей базы и коллектора. Чем меньше эти величины, тем выше коэффициент усиления и меньше коэффициент шума транзистора на СВЧ.

В GaAs подвижность электродов примерно в 4 раза больше, чем в кремнии, и поэтому GaAs является более предпочтительным материалом. Однако из-за технологических трудностей он не получил применения в биполярных транзисторах.

Диэлектрическая постоянная, влияющая на емкость переходов составляет для кремния, арсенида галлия и германия 11,7; 11,1 и 16 соответственно. Но по теплопроводности кремний в 2 раза превосходит GaAs и поэтому обычно используется для изготовления мощных транзисторов.

Сравнивая же кремний и германий, следует отметить такие преимущества кремния, как более высокая скорость насыщения электронов и большая напряженность поля пробоя.

Технология изготовления приборов на основе кремния хорошо разработана и позволяет создавать СВЧ транзисторы с высоким процентом выхода годных и с хорошей надежностью. Глубину диффузии примесей (мышьяка, фосфора и бора) в кремнии можно контролировать при планарной технологии с точностью 0,1 мкм, а достижимые на практике уровни легирования оказались особенно удобными для создания кремниевых nрn -транзисторов.

Выполняются СВЧ транзисторы по планарной технологии таким образом, чтобы отношение периметра эмиттера к его площади было наибольшим. Последнее достигается в транзисторе с гребенчатой и многоэмиттерной структурами и в многоструктурных транзисторах. В гребенчатой структуре (рис. 6.6 а) чередуются эмиттерные и базовые области, имеющие форму узких полосок. В многоэмиттерной структуре (ряс. 5.6 б) вместо каждой эмиттерной полосковой области используется ряд небольших прямоугольных эмиттеров, соединенных металлическими полосками. Между эмиттерами находятся полосковые выводы от общей базовой области. Применяются также многоструктурные транзисторы, которые по существу являются объединением ряда многоэмиттерных или гребенчатыхсекций.

а) б)

Рис. 5.6

Отношение периметра к площади эмиттера с гребенчатой структурой доходит до 250 мм/мм2. Дальнейшее увеличение отношения требует изготовления полосок с шириной менее 1 мкм.

Для СВЧ транзисторов большое значение имеет точность воспроизведения элементов — ширины эмиттерных полосок, расстояния между эмиттерными и базовыми полосками, коллекторных площадок. Максимальная разрешающая способность при фотолитографии соответствует получению ширины эмиттерных полосок 1 мкм. Для воспроизведения меньших размеров следует применять электронно-лучевую литографию. Вследствие меньшей длины волны электронного излучения можно получить полоски и промежутки с разрешением 0,1 мкм, что позволяет повысить рабочую частоту транзистора.

Для мощных СВЧ транзисторов важной является задача равномерного распределения тока и теплоотвода. В этих транзисторах наблюдается вторичный пробой (первичным называют пробой коллекторного перехода при обратном напряжении эмиттерного перехода) - Вторичный пробой может следовать за первичным, но может возникать самостоятельно при прямом включении эмиттерного перехода.

Вторичный пробой коллекторного перехода связан с перераспределением тока в сечении прибора и его концентрацией в локальных областях. Вторичный пробой характеризуется резким увеличением коллекторного тока и, как правило, приводит к выходу прибора из строя из-за образования локальных областей перегрева. В случае прямого включения эмиттерного перехода перераспределение тока может быть связано с оттеснением тока эмиттера к периферии, с неравномерностью инжекции, вызванной неодинаковостью падения напряжения на различных эмиттерных полосках или наличием дефектов структуры.

Применение гребенчатой и многоэмиттерной структур обеспечивает и равномерность распределения тока. Однако для улучшения равномерности последовательно с полосковыми эмиттерами в гребенчатой структуре или полосками в многоэмиттерной структуре включаются резисторы, ограничивающие ток при прямом включении эмиттерного перехода. Для борьбы со вторичным пробоем при обратном включении эмиттерного перехода следует затруднить развитие первичного (лавинного) пробоя коллекторного перехода. С этой целью эпитаксиальный высокоомный слой коллекторной области делают достаточно толстым. Следует также снижать тепловое сопротивление участка коллекторный переход – корпус.

Параметры биполярных СВЧ транзисторов. Основными параметрами являются рабочая частота, коэффициент усиления по мощности, выходная мощность, КПД и коэффициент шума. При этом коэффициент шума важен только для маломощных (малошумящих) транзисторов, а КПД — для мощных СВЧ транзисторов.

На граничной частоте fгр, при которой коэффициент передач по току в схеме с общим эмиттером равен единице, имеется еще значительное усиление по мощности. Поэтому дополнительно используется характеристическая частота fmaxмаксимальная частота генерации, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице при условии компенсации действия внутренней обратной связи (без внесения потерь) и согласования на входе и выходе. В этом случае:

(5.6)

где r'б объемное сопротивление базы; Ск — емкость коллекторного перехода; α0 — коэффициент передачи тока эмиттера(h21б).

Если ширины эмиттерных, базбвых полосок и промежутков между ними одинаковы и равны s, длина l, а удельные (на единицу площади) сопротивление базы r0 и емкость коллектора С0, то r'Б r0s/l, Cк С0sl. Поэтому (5.6) приводится к виду:

Следовательно, fmax увеличивается с уменьшением размера s. Это подтверждает необходимость уменьшения ширины полосок и зазоров в транзисторных структурах.

Зависимость коэффициента шума от частоты показана рис. 5.7 горизонтальный участок кривой объясняется в основном тепловыми шумами объемного сопротивления базы r'б. Чем выше граничная частота транзистора fгр, тем протяженней участок кривой с наименьшим коэффициентом шума. Коэффициент шума зависит также от сопротивления источника сигнала, при этом существует оптимальное сопротивление при котором Kш достигает минимального значения. Существует также оптимальное значение тока эмиттера. Следует отметить, что условия, при которых коэффициент шума имеет минимальное значение, могут не совпадать с условиями получения максимального коэффициента усиления.

Рис. 5.7

Рис. 5.8

На рис. 5.8 приведены для различных частот значения коэффициентов усиления Ку и шума Кш маломощных биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом шума (БТ1) и с максимальным коэффициентом усиления (БТ2). В диапазоне частот 4 — 8 ГГц Кш min=2÷4 дБ, а Ку max = 5 ÷ 3 дБ. Усилители на малошумящих биполярных транзисторах конкурируют с малошумящими ЛБВ и превосходят последние по шумовым свойствам, габаритам, массе и долговечности.

Выходная мощность мощных биполярных транзисторов при переходе от 1 до 4 ГГц падает от 35 — 40 до 5 Вт. Коэффициенты усиления в этом диапазоне составляют 10 — 5 дБ.

Применение в транзисторных СВЧ генераторах варикапов или ферритовых элементов для электрической перестройки частоты позволяет заменять ими лампы обратной волны. Генераторы с варикапами обладают большой скоростью, но малой линейностью перестройки, например ±10%. Если в качестве феррита используется железо-иттриевый гранат (ЖИГ), то линейность перестройки высокая (примерно ±0,3%), но скорость перестройки мала. Диапазон электрической перестройки частоты транзисторных СВЧ генераторов достигает октавы.

5.6. Полевые СВЧ транзисторы

В последние годы возросла роль полевых транзисторов в СВЧ диапазоне, но сравнению с биполярными транзисторами в связи с разработкой полевых транзисторов с барьером Шотки на арсениде галлия. Устройство такого, транзистора показано на рис. 5.9. Затвор представляет собой барьер Шотки, изготовленный на эпитаксиальной пленке из арсенида галлия n-типа. Пленка выращивается на полуизолирующей подложке из того же материала. Затвор, расположенный между истоком и стоком, имеет обычно конфигурацию замкнутого кольца или квадрата. Характерные размеры: ширина затвора 0,2 – 2 мм, длина затвора 0,5 – 2 мкм, толщина эпитаксиальной пленки 0,15 – 0,5 мкм.

Для получения омических контактов истока и стока используются сплавы на основе золота и серебра с соответствующими легирующими добавками. Барьер Шотки получают нанесением металлов (платина, хром, никель, молибден и др.) или сплавов.

Рис. 5.9

Резкое улучшение частотных свойств полевых транзисторов произошло благодаря применению арсенида галлия с высокой подвижностью электронов, уменьшению длины затвора до 1 мкм и использованию более тонких и более высоколегированных эпитаксиальных пленок арсенида галлия.

Для транзисторов с малой длиной канала частота fmax, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице, определяется минимально возможным значением времени пролета τmin, т. е.

(5.7) Значение τmin соответствует максимальной скорости носителей – скорости насыщения υн , поэтому при длине канала L τ= L/υн , а из (5.6) (5.8)

Следовательно, GaAs, имеющий большее значение υн, чем у кремния и германия, является предпочтительным материалом для изготовления полевых транзисторов.

Уменьшение длины затвора приводит к уменьшению времени пролета электронов в канале и к снижению емкости затвора. Эта емкость может быть также уменьшена изготовлением полуизолирующего слоя между затвором и эпитаксиальной пленкой арсенида галлия (каналом).

Важным направлением в разработке маломощных полевых транзисторов с барьером Шотки на арсениде галлия является снижение коэффициента шума. Основные источники шума в этом транзисторе — тепловой шум в канале, индуцированный шум затвора и шум паразитных (пассивных) элементов. Тепловой шум в канале — это тепловой шум сопротивления проводящей части канала. Индуцированный шум затвора является следствием шума в канале, так как любая флуктуация потенциала в канале вызывает флуктуацию напряжения между затвором и каналом. Эти шумы при коротких каналах сильно коррелированны (коэффициент корреляции близок к единице). Шумы пассивных элементов связаны с сопротивлением затвора и истока и по своей природе тепловые. Так как шумы в активной области полевых транзисторов с барьером Шотки очень малы, то шумы пассивных элементов дают больший относительный вклад в общий шум, чем в биполярных транзисторах.

Особенностью полевых транзисторов является большое различие сопротивлений источника сигнала, необходимых для получения максимального коэффициента усиления и минимального коэффициента шума. Это приводит к тому, что при минимальном коэффициенте шума коэффициент усиления примерно в 2 раза меньше максимально возможного. Однако в этом случае коэффициент усиления еще достаточно велик (8 – 15 дБ). Необходимо отметить, что существует также трудность согласования полевого транзистора со стандартным СВЧ трактом, особенно на частотах ниже 1 – 2 ГГц. В связи с этим приходится увеличивать ширину затвора, хотя последнее и приводит к увеличению емкости и сопротивления металлизации затвора.

Существуют полевые транзисторы с коэффициентом шума Кш=З,7 дБ и усиления Ку=12,8 дБ на частоте 10 ГГц. Длина затвора этих транзисторов 0,5 мкм, а ширина 200 мкм. Имеются приборы, у которых Кш=2,6 дБ на частоте 4 ГГц (длина затвора 1,5 мкм, ширина – 1,8 мм).

Рис. 5.10

На рис. 5.10 сравниваются коэффициенты усиления Ку и шума Кш полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТБШ) и биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом шума (БТ1) и максимальным коэффициентом усиления (БТ2).

Для мощных полевых транзисторов требование низкого уровня шума не существенно. Применение арсенида галлия с большой шириной запрещенной зоны (1,4 эВ) позволяет повысить рабочую температуру вплоть до 350°С.

В мощных полевых транзисторах необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя затвора, низкоомные контакты истока и стока, а также возможно большее значение периметра истока.

Повышение напряжения пробоя достигается использованием умеренного легирования области канала: см –3, а также созданием области повышенного сопротивления между затвором и стоком без ухудшения крутизны транзистора. Низкоомные контакты истока и стока получаются путем вплавления пленок золото–германий или созданием низкоомных эпитаксиальных областей (n+-области). Увеличение периметра истока возможно в результате изготовления многоканальных структур с несколькими контактными площадками затвора, так как обычное увеличение длины истока и затвора ухудшает параметры полевого транзистора из-за роста сопротивления металлизации контактов. Существуют сетчатые и гребенчатые затворы, подобно тому, как это делается в биполярных СВЧ транзисторах.

Применение многоканальных структур обеспечивает повышение мощности полевых транзисторов. Созданы варианты мощных многоканальных полевых транзисторов с управляемым p–n–переходом с горизонтальной и вертикальной структурами. В транзисторах с горизонтальной структурой каналы располагаются параллельно полупроводниковой подложке, как на рис. 1, а в транзисторах с вертикальной структурой они перпендикулярны плоскости подложки.

Мощность полевых транзисторов на арсениде галлия с барьером Шотки уже превышает мощность биполярных транзисторов: 1,6 Вт и КПД 45% на частоте 8 ГГц. Ожидается, что в трехсантиметровом диапазоне волн будет получена мощность 10 Вт. Эти транзисторы становятся конкурентами с ЛБВ, имея перед последними преимущество в габаритах, КПД и простоте источников питания.

Наибольшее применение полевые транзисторы на GaAs с барьером Шотки нашли в малошумящих СВЧ усилителях. В диапазоне 4 – 20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же назначения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристики позволяют использовать их в смесителях. В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению полевых транзисторов с барьером Шотки в усилителях, предназначенных для замены ламп бегущей волны и в параметрических усилителях. Низкий коэффициент шума, малая пульсация коэффициента усиления (0,05 дБ на 10 МГц), небольшие изменения групповой задержки этих транзисторов позволяют произвести замену ЛБВ в телевизионной системе с частотной модуляцией.

В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из GaAs с барьером Шотки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному уменьшению коэффициента шума. При этом, в отличие от биполярных транзисторов, коэффициент усиления увеличивается. Трехкаскадный усилитель для спутниковой связи США в диапазоне 11,7–12,2 ГГц имеет при комнатной температуре коэффициент шума 5,3 дБ, а коэффициент усиления 18 дБ. Охлаждение усилителя до 40 К снижает Кш до 1,6 дБ и увеличивает Ку до 31 дБ, что сравнимо с параметрами неохлаждаемых параметрических усилителей.

Малошумящие усилители на полевых транзисторах из GaAs с барьером Шотки по сравнению с параметрическими усилителями характеризуются простотой настройки, высоким постоянством усиления, большой мощностью насыщения.

Контрольные вопросы.

  1. Конструктивные особенности полупроводниковых диодов СВЧ.
  2. Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ.
  3. Особенности устройства СВЧ биполярных транзисторов (БТ).
  4. Особенности устройства СВЧ полевых транзисторов (ПТ).
  5. Факторы, ограничивающие рабочие частоты БТ.
  6. Факторы, ограничивающие рабочие частоты ПТ.
  7. Пути улучшения частотных свойств ПТ и БТ.
  8. Пути повышения выходной мощности БТ и ПТ на СВЧ.

Принцип работы диода и транзистора

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

  1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
  2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
  3. Внутри катодакосвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
  4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
  5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
  6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

  1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
  2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
  3. По мере ростаобратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
  4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

  1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
  2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

  1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
  2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
  3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
  4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
  5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
  6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
  7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

  1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
  2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
  3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

  1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
  2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

  1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
  2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

  1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
  2. Попадание электронов в проводимую зону.
  3. Резкое повышение температуры.
  4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
  5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Полупроводниковый диод. Если соединить два электрически нейтральных полупроводника п- и р-типа, то получится полупроводниковый диод. Электроны вблизи контакта из «-области, где их концентрация выше, будут диффундировать в /7-область. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе полупроводниковых областей образуется р-п- переход — слой с пониженной электропроводностью: вблизи контакта в «-области накапливается положительный заряд, а в /7-области — отрицательный. Поле Ек запирающего равновесного контактного слоя будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, обусловливая диффузионную разность потенциалов.

Если диод подключить положительным полюсом батареи к области р-типа, а отрицательным — к области «-типа (рис. 30.12, а), то направление внешнего поля Е будет противоположно полю контактного слоя Ек. В результате через диод с прямым смещением течет ток (так называемый прямой ток), обусловленный движением основных носителей каждой области. Перемещение электронов и дырок приводит к сужению контактного слоя, потенциальный барьер в переходе понижается с ростом напряжения, приложенного в прямом направлении (U >0). Сопротивление контактного слоя в результате уменьшится.

В диоде с обратным смещением дырки в /7-области притягиваются отрицательным полюсом батареи, а электроны в «-области — положительным

Рис. 30.12. Схема п—/7-перехода, в котором п- и /7-области монокристалла отличаются только типом примеси (гомопереход): а, б — соответственно диод с прямым и обратным смещением полюсом батареи (рис. 30.12, б). Электрический ток через п—/7-переход, называемый обратным, будет обусловлен движением неосновных носителей каждой области. Контактный слой расширится, его сопротивление возрастет. Потенциальный барьер в переходе увеличивается с ростом обратного напряжения (U Транзисторы. Рассмотрим приборы, предназначенные для усиления электрических сигналов, называемые транзисторами (рис. 30.13). Транзисторы были изобретены в 1948 г. американскими физиками Дж. Барди- ном, У. Браттейном и У. Шокли (Нобелевская премия, 1956).

Рис. 30.13. Условные обозначения транзисторов: ап-р—п-транзистор; бр—п—р-транзистор

Биполярный транзистор (триод) — это трехслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями р- и я-типа проводимости (рис. 30.13, а, б). База (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости) включаются в схему с помощью металлических проводников. При типичных условиях ширина базы не превышает 0,1—0,2 мкм. Крайние области транзистора, хотя и обладают одинаковым типом проводимости, отличаются концентрацией примесных атомов. Коллектор обычно содержит большую концентрацию примесных атомов в сравнении с эмиттером. Эмиттер всегда обозначается стрелкой. Направление стрелки совпадает с направлением тока, условно принимаемым за положительное в нормальном режиме работы транзистора.

Для примера рассмотрим триод типа р—п—р (рис. 30.14).

Рис. 30.14. Схема р—п-/7-транзистора, используемого в качестве усилителя

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое постоянное напряжение («+» на /7-эмиттере), а к коллекторному — обратное напряжение («—» на /ькол- лекторе). Переменный сигнал подается на входное сопротивление RBX. С сопротивления /?ВЬ1Х в выходной цепи снимается усиленный сигнал. В нормальном режиме напряжение и на коллекторе, и на базе отрицательно.

Высота потенциального барьера в р—п-переходе в случае прямого напряжения снижается. Дырки, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. При тонкой базе большинство дырок достигает коллектора: дырки вблизи п—р-перехода, отделяющего базу от коллектора, захватываются полем, существующим внутри перехода. Проходя через коллекторную цепь, они создают напряжение на сопротивлении /?вых.

Коэффициент усиления по току составляет несколько десятков, в некоторых случаях — несколько сотен. При использовании гетероструктур, когда р- и д-области принадлежат разным полупроводникам, коэффициент усиления достигает несколько тысяч. Обычно RBblx » RBX, поэтому t/BX«UBblx. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея Бк. Мощность выходного сигнала возрастает в Кых/К раз.

Аналогичным образом работает и п—/?—/7-транзистор, где вместо дырок происходит перемещение электронов. Если напряжение, приложенное к базе, положительно, то электроны эмиттера притягиваются к базе, а затем проходят на коллектор, находящийся под положительным напряжением.

Создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной электронике и оптоэлектронике, заложило основы современных информационных технологий. За фундаментальные работы в этой области в 2000 г. были награждены Нобелевской премией по физике россиянин Ж.И. Алферов и американец Г. Кремер.

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого.

Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны катода как бы рисуют букву К вот, смотри —К|—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара.

Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Это может быть, например, опорная величина, относительно которой происходит сравнение входного сигнала. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту. Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только куда более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

Так работает диод.

Жуткая вещь, в детстве все не мог понять как он работает, а оказалось все просто.

В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом, например с ноги микроконтроллера, управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней. А порой хватает и одного могучего полевого MOSFET транзистора. Посмотри, например, как в схемах сотовых телефонов управляется виброзвонок. Там выход с процессора идет на затвор силового MOSFET ключа.

Запрашиваемая страница не найдена!

  • EBMPAPST СО СКЛАДА ПО НИЗКОЙ ЦЕНЕ

     
  • Более 5000 тезодатчиков для промышленных и бытовых весов.

  • КОНДЕНСАТОРЫ JAMICON СО СКЛАДА ПО НИЗКОЙ ЦЕНЕ

     
  • ЗВУКОВЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ СО СКЛАДА ПО НИЗКОЙ ЦЕНЕ

     

ПОПУЛЯРНЫЕ ТОВАРЫ


YW04010012BH

YW04010012BH - Вентилятор, напряжение питания 12 Вольт, размер 40х40х10 мм, скорость вращения 6500 об/мин, шум при работе до 29 дБ, жизненный цикл 75000 часов, минимальная рабочая температура -10ºС, вес 15 г.

529.48 руб

LNK305DN

LNK305DN - Микросхемы - LinkSwitch-TN 175 mA (MDCM) 280 mA (CCM) SO-8. Минимальная упаковка - 100 штук.

0.00 руб

PLEOMAX samsung LR20 BL2

PLEOMAX samsung LR20 BL2 - Элемент питания. Батарейки большого размера. Колличество в упаковке - 160 штук. Минимальная отгрузка - упаковка.

106.06 руб

MPM280-Assembled

Первичный пьезорезисторный датчик давления , MPM280 - Assembled, 0-0,02…35 МПа O-ring герметизация Опционально доступен соединительный разъём Возможен заказ конструктива

2 666.67 руб

B32922C3104M

B32922C3104M - Конденсатор, супрессор класса X2, ёмкость 0,1 мкФ 305 В, плёночный с полипропиленовым диэлектриком, выводной - расстояние между выводами 15 мм, диаметр выводов 0,8 мм.

0.00 руб

222215946101

222215946101 - Конденсатор, алюминиевый электролитический (100mF 400V 22x35 SNAP) (100 мкФ 400 В)

432.90 руб

CARCLO OPTICS 10003/L25

CARCLO OPTICS 10003/L25 - Линзы для светодиодов, вторичная оптика - CARCLO 20MM LENSE ELLIPTICAL 44 X 15°. Минимальная упаковка 48 штук.

0.00 руб

SD8SFAT-128G

SD8SFAT-128G - Карты памяти - SSD DRIVE. Минимальная упаковка 24 штук .

7 872.74 руб

DSS 104 N

DSS 104 N - Переключатели - Switch DIP THT 4POS length21.52mm-pitch3.54mm SPST Vertical - box. Минимальная упаковка - 40 штук.

0.00 руб

BCS-104-L-S-TE

BCS-104-L-S-TE - Разъёмы и соединители - BOX CONNECTOR SOCKET STRIP CENTERLINE: .100" (2,54MM).

0.00 руб

A72SQ2100ZB00M

A72SQ2100ZB00M - Конденсаторы электролитические на поверхностный монтаж. Минимальная упаковка - 500 штук.

0.00 руб

STAR10LED RGB

STAR10LED RGB Звезда светодиодная. Цвет — мультиколор, длина шнура питания — 2 метра, 10 диодов, размер — 16,5 см, питание от сети 220 В

0.00 руб

GIR100LED RGB

GIR100LED RGB Гирлянда светодиодная. Цвет — мультиколор, длина — 10,8 метров, 100 диодов, 8 режимов мигания, питание от сети 220 В.

0.00 руб

1140.30SMA

1140.30SMA - Антенны - MiniMag magnet mount antenna 824–960 / 1710–2170 MHz. Минимальная упаковка 1 штук .

0.00 руб

Брейкер 10 А

Брейкер 10 А - Предохранитель, брейкер - автоматический термопредохранитель 90 градусов, на ток 10 А, корпус ABR21-16, 2. Минимальная отгрузка 100 штук. СПЕЦЦЕНА ПРИ ЗАКУПКАХ от 1 ТЫС ШТУК

0.00 руб

KSQG706BP

KSQG706BP - Громкоговорители: . Поставка со склада в Европе. Упаковка: 300 штук.

23.92 руб

AS0B821-S78B-7H

AS0B821-S78B-7H Соединители SMT Card Edge, на поверхностный монтаж, 314 контактов, шаг 0,5 мм, правый угол, рабочие: напряжение 25 В, ток до 0.5 А, упаковка 350 штук "на ленте", стандарт EAR99, диапазон рабочих температур от -55°C до 85°C, материал контактов - медный сплав с позолоченным покрытием, максимальное количество установок платы в соединитель - 25 раз, производитель FOXCONN INTERCONNECT TECHNOLOGY. Поставка со склада.

0.00 руб

RC1206FR-07590KL

Резистор RC1206FR-07590KL 1206 590 кОм 1% - резистор постоянный типоразмера 1206 на поверхностный монтаж, номинальное сопротивление 590 КОм, мощность 0,25 Вт, точность 1%.

0.00 руб

BZT52C6V2

BZT52C6V2 - стабилитрон на поверхностный монтаж, напряжение стабилизации 6.2 В, номинальный ток 5 мА, максимально допустимый ток 54 мА при 25°C, корпус SOD-123.

0.00 руб

STTH506B

STTH506B - Диоды - TO252/TURBO 2 ULTRAFAST - HIGH VOLTAGE RECTIFIER. Минимальная упаковка 75 штук .

0.00 руб

STD5NM50T4

STD5NM50T4 - транзисторы, склад Москва, TO 252 DPAK AL/MDMOS 500V 0.8OHM, цена указана с НДС

70.19 руб

412JHH

412JHH - Вентилятор, напряжение питания 12 Вольт , размеры 40 x 40 x 25 мм Скорость вращения 13000 об/мин ,Уровень шума 46 dB/A ,Производительность 24 м3/ч Минимальная температура среды -20 Входная мощность 3.3 W

1 789.47 руб

79L18A

79L18A - Микросхема, линейный стабилизатор напряжения -18 В, корпус TO-92

11.70 руб

CL2K4-G

CL2K4-G - Температурно компенсированный аналоговый регулятор-стабилизатор тока светодиодов сбалансирован для обеспечения постоянного тока 20 мА ±10 % при входном напряжении от 5 В до 90 В. Корпус TO-252 (DPAK).

0.00 руб

KT09225220BH (A654) (-40º+80ºC)

KT09225220BH (A654) (-40º+80ºC) - Вентилятор, напряжение питания 220 Вольт, размер 92х92х25 мм, скорость вращения 2500 об/мин, шум при работе до 31,7 дБ, жизненный цикл 60000 часов, минимальная рабочая температура -40ºС, вес 290 г.

780.98 руб

CL7SG-G

CL7SG-G - Драйвер светодиодов (стабилизатор тока) на 100 мА с температурной компенсацией выходного тока, защитой от неправильной полярности подключения, защитой от перегрева. 8L SOIC - упаковка 2500 шт. на ленте (REEL)

0.00 руб

HV9861ALG-G

HV9861ALG-G - Драйвер светодиодов (стабилизатор тока) с импульсным преобразованием и регулировкой по среднему току, точность стабилизации 3% , питание от сети 220 В. 8L SOIC - упаковка 2500 шт. на ленте (REEL)

87.72 руб

HV9861ANG-G

HV9861ANG-G - Драйвер светодиодов (стабилизатор тока) с импульсным преобразованием и регулировкой по среднему току, точность стабилизации 3% , питание от сети 220 В. 16L SOIC - упаковка 45 шт. в пенале (TUBE)

0.00 руб

TCRT1010

TCRT1010 - Датчик, оптический на отражение светодиод - эмитер, фототранзистор - приёмник, длина волны 950 нм, дистанция срабатывания от 0,2 мм до 4 мм, выходной ток 0,5 мА.

43.92 руб

2032 Holder-B (BS-02D-1B)

2032 Holder-B (BS-02D-1B) - Соединитель, держатель батарейки размеора 2032 Holder-B (BS-02D-1B)

0.00 руб

015403.5DR

015403.5DR - Соединитель, миниатюрный держатель предохранителей на поверхностный монтаж, для предохранителей 3,5 А

95.00 руб

BA159

BA159 - Диод, выпрямительный для работы в сетях 60 Гц, максимальное пиковое напряжение 1000 В, максимальное среднеквадратичное напряжение 700 В, ток до 1 А, корпус выводной DO-41

1.63 руб

F5T8YCUL

F5T8YCUL - Переключатель, микропереключатель 250 В 5 А переменного тока - роликовый рычаг, материал контакта - золото на серебре, активация - роликовый рычаг, тип подключения - впаянные штырьки, 35-821-45

467.84 руб

3296W-1-104LF

3296W-1-104LF - Потенциометры механические - Cermet Trim; 100K Ohm; 10% 1/2W Multiturn 2.19mm; RoHS; Tube. Минимальная упаковка - 100 штук.

0.00 руб

B32922C3474M

Конденсаторы плёночные радиальные - IAL CAPACITOR MKP 0.47µF 15mm. Минимальная упаковка - 500 штук.

0.00 руб

04661.25NR

04661.25NR - Предохранитель, очень быстрого срабатывания, ток срабатывания 1,25 А, рабочее напряжение 63 В, размер 1206. Минимальная отгрузка 100 штук

0.00 руб

CR123A 2PIN

Батарейка литиевая CR123A Tekcell обладает отменными характеристиками - максимальный импульсный ток разряда 3500 mA, продолжительность одна десятая секунды, периодичностью две минуты. Номинальное напряжение 3 В. Емкость батареи составляет 1500 maH. Вес одной батареи 16 грамм. Типоразмер 2/3A. Габариты: диам. 17,1 мм, высота 34,5 мм. Рабочий температурный диапазон -30 - +60 градусов.

101.00 руб

CR123A TC

Батарейка литиевая CR123A Tekcell обладает отменными характеристиками - максимальный импульсный ток разряда 3500 mA, продолжительность одна десятая секунды, периодичностью две минуты. Номинальное напряжение 3 В. Емкость батареи составляет 1500 maH. Вес одной батареи 16 грамм. Типоразмер 2/3A. Габариты: диам. 17,1 мм, высота 34,5 мм. Рабочий температурный диапазон -30 - +60 градусов.

100.00 руб

SB-D02 TC

Батарейка литиевая SB-DO2 Tekcell. Максимальный импульсный ток разряда 250 mA, максимальный постоянный ток 100 mA. Номинальное напряжение 3,6 В. Емкость батареи составляет 19000 maH. Вес одной батареи 100 грамм. Типоразмер D. Габариты: диам. 33,8 мм, высота 59,7 мм. Рабочий температурный диапазон -55 - +85 градусов. Невоспламеняющийся неорганический электролит.

940.14 руб

SB-AA11 AX

Элемент питания SB-AA11 Tekcell. Максимальный импульсный ток разряда 100 mA, максимальный постоянный ток 60 mA. Номинальное напряжение 3,6 В. Емкость батареи составляет 2500 maH. Вес одной батареи 16 грамм. Типоразмер AA. Габариты: диам. 14,6 мм, высота 50,5 мм. Рабочий температурный диапазон -55 - +85 градусов. Низкий уровень саморазряда.

390.14 руб

Запрашиваемая страница не найдена!

Прекращаем ставить диод 2 / Хабр

Несколько лет назад мною была опубликована

статья

под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.

Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.

В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.

Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет такой вид:

Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.

Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.

При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.

Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.

Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.

И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.

Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.

Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.

Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.

Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.

Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.

Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.

Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.

В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше над землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.

Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.

Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).

Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.

Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.

Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль – питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.

В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.

При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до наноамперного уровня. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикроамперных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.

С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.

Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.

Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.

Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.

Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3-4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.

Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.

Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).

Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:

И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.

Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимаем с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).

Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:

Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на исходной схеме, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор – это резистор смещения Rs, а правый – нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.

Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.

А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 – просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.

С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:

Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:

Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.

И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.

Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5-8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.

Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал несколько сборок разного типа, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, и все они показали напряжение лавинного пробоя аж 12-13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что спецификации пишутся дымом сгоревших компонентов.

Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.

Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.

Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.

Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.

Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.

Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.

Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24-27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.

И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».

Тут мы видим, что предельное напряжение завтора – 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.

При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.

В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.

В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.

Полученное тут устройство отлично выполняет свои функции «идеального диода», обеспечивая прямое сопротивление, полностью соответствующее выбранному силовому «полевику», обратное сопротивление более 100 кОм, и собственное потребление при напряжении 25 вольт не более 150 мкА.

Обзор продукции Microsemi для силовой электроники

Введение

Силовая электроника — интенсивно развивающаяся область науки и техники. Компоненты, разрабатываемые в этом сегменте промышленности, находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности — от добывающих отраслей до транспорта и связи. Приборы силовой электроники представляют собой мощные электронные устройства, работающие, как правило, в импульсных режимах и позволяющие изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Наблюдаемый в последние годы на мировом рынке повышенный спрос на изделия силовой электроники и соответствующая активность в области их разработок и производства обусловлены тем, что именно они во многих случаях являются основой для создания современного высокотехнологичного оборудования [1].

Модернизация силовых полупроводниковых устройств идет по пути повышения энергоэффективности (обеспечения минимальных потерь мощности), быстродействия и надежности с одновременным уменьшением массо-габаритных характеристик при максимально возможной мощности. Прогресс в современной силовой электронике тесно связан со значительным улучшением параметров мощных, практически «идеальных» ключей на базе полевых транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), быстродействующих диодов и силовых модулей. В основном это достигается совершенствованием технологий изготовления и использованием широкозонных материалов (карбида кремния, нитрида галлия) при создании мощных приборов с требуемыми характеристиками.

В области напряжений 200–1000 В рынок уверенно завоевывают MOSFET, модули и интеллектуальные силовые ИС на их основе, вытесняя биполярные транзисторы. Это, в первую очередь, связано с отличными эксплуатационными характеристиками MOSFET: высокой скоростью коммутации, низкими статическими и динамическими потерями, малой мощностью управления, высокой стойкостью к перегрузкам. Область применения MOSFET — преобразователи частоты и напряжения мощностью до 10 кВт с частотами преобразования до единиц мегагерц.

Большую популярность приобретают IGBT. Удачное сочетание их свойств и MOSFET (малая мощность управления, высокая скорость коммутации, прямоугольная область безопасной работы, способность работать параллельно без выравнивающих элементов, малое падение напряжения в открытом состоянии, высокое предельное напряжение) делает эти транзисторы также практически «идеальными» силовыми ключами. Параметры IGBT постоянно улучшаются производителями (прямое падение напряжения с 4 В у первого поколения уменьшилось в настоящее время до 1,2 В у четвертого поколения, аналогично предельная частота переключения увеличилась с 5 до 150 кГц и более). Самая распространенная область применения IGBT — схемы инверторов напряжения, включая многоуровневые, с рабочими напряжениями до нескольких киловольт и токами порядка 100 А. Данные преобразователи используются в электроприводах различного назначения, в мощных системах генерирования электрической энергии постоянного и переменного тока, в мощных преобразователях автомобилей, а также в различных видах сварочного оборудования.

По мнению зарубежных аналитиков, к числу наиболее перспективных также относится производство силовых модулей. Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств (конвертеров, регуляторов и др.) используются интегрированные силовые ключи, объединенные по типовым, наиболее распространенным схемам преобразования параметров электрической энергии. На основе последовательного и параллельного соединений транзисторов создаются модули ключей с двунаправленной проводимостью, работающие в цепях постоянного и переменного тока. Введение дополнительных схем защиты от воздействия высоких напряжений и температур повышает надежность и длительность эксплуатации. Из основных областей применения можно отметить гибридные системы электропитания (ветроэлектроэнергетика, солнечная электроэнергетика), сварочные агрегаты, устройства регулирования электроприводов постоянного и переменного тока, источники бесперебойного питания промышленного оборудования.

Microsemi Corporation, как разработчик высоконадежных дискретных компонентов для космической, военной и авиационной областей, большое внимание уделяет улучшению рабочих параметров транзисторов и их предельных характеристик. Продукция силовой электроники компании применяется в различных системах электропитания: вычислительных комплексах, базовых станциях беспроводной связи, промышленных системах, медицинских приборах, лазерах, в оборудовании для производства полупровод­ников, сварочных аппаратах и системах электропитания для аэрокосмической отрасли [2]. Рассмотрим далее основные группы изделий, уделяя особое внимание новинкам [3].

 

Силовые диоды

Компанией Microsemi выпускается пять различных семейств кремниевых диодов с быстрым восстановлением (FRED), а также ряд диодов на основе SiC. Диоды данных серий отличаются высокой скоростью переключения и мягким восстановлением, обеспечивающим минимизацию потерь при коммутации. Они разработаны для высококачественных решений, работающих в широком диапазоне напряжений, и удовлетворяют самым жестким требованиям, предъявляемым к мощным высоковольтным устройствам. Выпускаются одиночные и сдвоенные диоды на напряжения 200–1700 В и токи 15–100 А, их основные рабочие характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Отличительные характеристики отдельных серий кремниевых силовых диодов Microsemi

Серия

Номинальные напряжения, В

Количество диодов
в одном корпусе

IF, А (сред.) 

VF, (при Т = 25 °C)

QRR, нКл
(при Т = 125 °
C)

Тип корпуса

Основные применения

DL

600

1

100

1,25

3800

TO-247

Выпрямительные и резонансные схемы

400

2 (антипараллельные)

2×100

1,0

3550

SOT-227

 

D

1200

1

15–60

2,0

1300–4000

TO-220, TO-247, D3PAK 

В качестве шунтирующего диода;
схемы выпрямления; DC/DC-преобразователи

2 (антипараллельные)

2×27–2×93

3450–5350

SOT-227

1000

1

15–60

1,9

1550–3600

TO-220, TO-247, D3PAK 

2 (антипараллельные)

2×28–2×95

2350–4050

SOT-227

2 (полумост)

2×15–2×30

1550–2360

TO-247

2 (с общим анодом)

2×30

2350

TO-247

2 (с общим катодом)

2×60

3600

TO-264

600

1

15–60

1,6

520–920

TO-220, TO-247, D3PAK

2 (антипараллельные)

2×30–2×100

700–1450

SOT-227

2 (с общим анодом)

2×15–2×30

520–700

TO-247

2 (с общим катодом)

2×30–2×60

700–920

TO-247, TO-264

2 (полумост)

2×30

700

TO-247

400

1

30–60

1,3

360–540

TO-247

2 (антипараллельные)

2×30–2×100

360–1050

SOT-227

2 (с общим катодом)

2×30–2×60

360–540

TO-247, TO-264

300

2 (антипараллельные)

2×100

1,2

650

SOT-227

200

1

30–60

1,1

150–200

TO-247

2 (антипараллельные)

2×100

840

SOT-227

2 (с общим анодом)

2×30

360–540

TO-247

DQ

1200

1

15–75

2,8

960–3340

TO-220, TO-247

Корректоры коэффициента мощности;
схемы выпрямления; DC/DC-преобразователи

2 (антипараллельные)

2×30–2×100

2,6–2,4

1800–5240

SOT-227

2 (с общим катодом)

2×30

2,8

2100

TO-247

1000

1

15–75

2,5

810–2660

TO-220, TO-247

2 (антипараллельные)

2×60–2×100

2,2–2,1

2350–3645

SOT-227

2 (с общим катодом)

2×15–2×60

2,5

810–2325

TO-247, TO-264

600

1

15–75

1,6

250–650

TO-220, TO-247

2 (антипараллельные)

2×30–2×100

1,8–1,6

400–980

SOT-227

2 (с общим катодом)

2×15–2×60

2,0

250–640

TO-247

2 (полумост)

2×30

480

TO-247

DS

600

1

15–30

3,2

85–180

TO-247

Высокочастотные корректоры коэффициента мощности

S

200

1

30–100

0,83–0,89

448–690

TO-247, D3PAK

В качестве шунтирующего диода; схемы выпрямления; DC/DC-преобразователи

2 (параллельные)

2×30–2×100

0,80–0,89

 

SOT-227

2 (с общим катодом)

TO-247, TO-264, T-MAX

Серия DL характеризуется низким значением прямого напряжения (VF) и ультрамягким восстановлением. Она позиционируется для выпрямительных и резонансных схем. Диоды D-серии, предназначенные для применения в импульсных источниках питания со средними частотами переключения, рассчитаны на напряжения 200, 300, 400, 600, 1000 и 1200 В. Используемая в производстве запатентованная технология платинового легирования понижает уровень токов утечки и улучшает надежность работы при повышенных температурах. Компоненты DQ-серии с рабочим напряжением 600, 1000 и 1200 В и широким диапазоном номинальных мощностей отличаются низким зарядом обратного восстановления (QRR) и используются в устройствах с высокой частотой коммутации. Высокоскоростные диоды серии DS предназначены для применения в высококачественных корректорах коэффициента мощности, где время обратного восстановления должно быть минимальным. Кремниевые диоды Шоттки, обозначаемые литерой S в шифре компонента, рассчитаны на напряжение 200 В. Благодаря своей конструкции они обладают малым напряжением VF (менее 1 В) и низкими потерями при восстановлении. Малый разброс значений прямого напряжения упрощает параллельное соединение диодов. Корпуса с допустимой температурой эксплуатации +175 °С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид корпусов силовых диодов компании Microsemi

В последнее время наблюдается повышенный интерес к диодам Шоттки на основе карбида кремния (SiC). Как известно, существенный вклад в потери источников электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов [4]. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранирования, увеличивающего массу и габариты устройства. Использование FRED позволяет лишь частично снизить влияние указанных проблем, оптимальным же решением является внедрение диодов Шоттки на основе карбида кремния (рис. 2).

Рис. 2. Заряд обратного восстановления диодов Microsemi различных типов

Ключевое преимущество SiC-диодов Шоттки от Microsemi заключается в их исключительных динамических характеристиках, основной причиной которых является отсутствие тока обратного восстановления. Вместо этого существует лишь незначительный ток, вызванный зарядом емкости перехода QС и не зависящий от скорости нарастания тока. В результате это приводит к уменьшению прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники [5].

Еще одно преимущество SiC-диодов над традиционными кремниевыми — высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла, получаемая благодаря трехкратному выигрышу по проводимости. Следствием этого является повышение КПД, особенно на малых нагрузках и высоких частотах переключения (более 500 кГц), а также уменьшение габаритов внешних индуктивных компонентов (например, в ККМ дроссель повышающего преобразователя является одним из основных компонентов, определяющих массо-габаритные характеристики). Также использование в качестве материала основы SiC с более высоким напряжением пробоя позволило значительно увеличить уровни рабочих напряжений.

SiC-диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов 10–30 А и максимальными обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускаются в популярных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (таблица 2). Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания — инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения.

Таблица 2. Основные параметры SiC-диодов Шоттки компании Microsemi

Артикул

Серия диодов

VR, В (макс.)

IF, А (сред.)

VF, В
(при Т = +25 °C)

PDISS, Вт (макс.)

QC, нКл
(при Т = +25 °
C)

Тип корпуса

Одиночные

APT10SCE170B

SCE

1700

10

1,5

214

88

TO-247

APT10SCD120B

SCD

1200

10

125

22

TO-247

APT10SCD120K

1200

10

125

22

TO-220

APT20SCD120B

1200

20

208

66

TO-247

APT20SCD120S

1200

20

208

66

D3PAK

APT30SCD120B

1200

30

291

200

TO-247

APT30SCD120S

1200

30

291

200

D3PAK

APT10SCD65K

650

10

63

80

TO-220

APT20SCD65K

650

20

114

100

TO-220

APT30SCD65B

650

30

156

150

TO-247

Двойные (с общим катодом)

APT10SCD120BCT

SCD

1200

2×10

1,5

125

30

TO-247

APT10SCD65KCT

650

63

80

TO-220

Из основных характеристик следует отметить малый ток утечки (типовое значение 10 мкА), полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC, а также низкое тепловое сопротивление переход–корпус, не превышающее для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает использование диодов при их параллельном включении, так как в этом случае не требуются согласующие резисторы для выравнивания их токов.

 

Силовые транзисторы

Биполярные транзисторы с изолированным затвором компании Microsemi предназначены для высококачественных решений в широком диапазоне напряжений и мощностей. Диапазон частот работы транзисторов — от нескольких килогерц в низкочастотных применениях до 150 кГц в импульсных источниках питания с высокой удельной мощностью (рис. 3).

Рис. 3. Рекомендуемые рабочие диапазоны частот IGBT Microsemi

Microsemi предлагает несколько семейств IGBT, изготовленных по трем технологиям: Punch-Through (PT), Non-Punch-Through (NPT) и FieldStop (FS). Все транзисторы выпускаются в типовых корпусах для монтажа в отверстия (TO-220, TO-247, T-MAX, TO-264 или SOT-227). Наряду со стандартными устройствами, с целью упрощения разработки, доступны модели со встроенными антипараллельными диодами DQ- или SiC-серий. В таблице 3 приведены отличительные особенности различных технологий изготовления IGBT-транзисторов.

Таблица 3. Сравнительные особенности технологий изготовления IGBT Microsemi

Параметр

PT

NPT

Field Stop

Потери при переключении

Низкие; малый хвостовой ток; значительное увеличение Eoff *
с ростом температуры

Средние; длинный хвостовой ток
с большой амплитудой; умеренное увеличение Eoff * с ростом температуры

Низкие; малый хвостовой ток; умеренное увеличение Eoff *
с ростом температуры

Потери
на электропроводность

Низкие, незначительно уменьшаются с ростом температуры

Средние, увеличиваются
с ростом температуры

Низкие, увеличиваются
с ростом температуры

Параллельное включение

Трудоемкое, необходима сортировка изделий по Vce(on)

Простое

Простое

Примечание: Eoff — импульсная энергия выключения

Семейство силовых транзисторов Power MOS 7PT, рассчитанное на максимальное рабочее напряжение 1200 В, в спецификации обозначается литерами GU или GP. Низкий заряд затвора компонентов данной серии (порядка 100 нКл) приводит к уменьшению мощности, необходимой для переключения, и, соответственно, к повышению быстродействия. Малый хвостовой ток сводит к минимуму потери на переключение и позволяет достичь высоких рабочих частот. К типовым применениям относятся преобразователи солнечной энергии, сварочные аппараты, зарядные устройства и индукционные нагреватели, а также высококачественные импульсные источники питания промышленного оборудования.

IGBT Field Stop с номинальными напряжениями VCES, равными 600 или 1200 В, обозначаются литерами GN в наименовании компонента. Разработанные для использования в режимах жесткого и мягкого переключения на частотах до 30 кГц, они обладают малыми потерями на электропроводность, что является полезным свойством для низкочастотных применений, в которых наиболее значимыми являются как раз потери проводимости. Параллельное включение устройств не вызывает затруднений благодаря малому разбросу напряжения коллектор–эмиттер и положительному температурному коэффициенту напряжения. Среди других значимых характеристик можно отметить устойчивость к коротким замыканиям.

Семейство силовых транзисторов Power MOS 8 включает в себя как IGBT, так и полевые транзисторы. IGBT-устройства производятся на основе технологий PT и NPT. В транзисторах данной серии применяется полосковая алюминиевая структура затвора с очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением (доли Ом), гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. С учетом крайне малого заряда затвора достигается более высокая скорость переключения и очень низкие динамические потери, при этом отсутствует необходимость использования мощного драйвера. Полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре. Оптимизированные значения входной емкости и емкости Миллера ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения и тока в момент переключения и способствуют «чистой» коммутации с меньшим уровнем электромагнитного излучения. Низкие значения RDS(on)/VCE(on) обеспечивают малые потери проводимости, высокий КПД и меньший уровень тепловых потерь.

Полевые высоковольтные (500–1200 В) N-канальные транзисторы семейства Power MOS 8 подразделяются на MOSFET и FREDFET. Они оптимизированы для работы на высоких частотах в режимах жесткого и мягкого переключения. Основные применения — корректоры коэффициента мощности, установки индукционного нагрева и электродуговой сварки, источники питания промышленного оборудования и многие другие устройства мощностью до 500 Вт. MOSFET имеют внутренний антипараллельный диод, который пропускает обратный ток. Он обладает медленным восстановлением, что приводит к снижению надежности в схемах с переключением в момент нулевого напряжения (ZVS).

Транзисторы FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor) — это MOSFET со встроенным диодом с минимальным временем обратного восстановления (trr), обеспечивающим высокую устойчивость к dv/dt и высокую надежность в мостовых схемах. Некоторым минусом является незначительно большее сопротивление RDS(on) при рабочих напряжениях свыше 800 В по сравнению с MOSFET с аналогичными характеристиками (табл. 4). Бюджетные полевые транзисторы семейства CoolMOS производятся по технологии фирмы Infineon Technologies. Предназначенные для работы в импульсных источниках питания, они изготавливаются в различных стандартных корпусах.

Таблица 4. Основные параметры SiC MOSFET-устройств Microsemi

Артикул

Тип канала

VBR(DSS), В

ID, А (пост.)

RDS(ON), мОм (при VGS = 20 В)

PDISS, Вт (макс.)

Тип корпуса

APT70SM70B

N

700

70

53

300

TO-247

APT70SM70S

D3PAK

APT70SM70J

165

SOT-227

APT25SM120B

1200

25

140

175

TO-247

APT25SM120S

D3PAK

APT40SM120B

40

80

273

TO-247

APT40SM120S

D3PAK

APT40SM120J

165

SOT-227

APT80SM120B

80

40

625

TO-247

APT80SM120S

D3PAK

APT80SM120J

273

SOT-227

APT5SM120B

1700

5

800

63

TO-247

Новые высоковольтные SiC MOSFET-устройства разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем. Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество — значительно более низкое удельное сопротивление исток–сток в открытом состоянии (RDS(on)) по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами.

Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя (до 1700 В), а максимальный ток стока достигает величины 70 А. Малый заряд затвора, а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора Vgs, лежащего в пределах от –10 до +25 В.

Из других особенностей можно отметить низкий уровень собственного электромагнитного шума и устойчивость к коротким замыканиям. Типовые применения включают в себя импульсные источники питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректоры коэффициента мощности, схемы управления электроприводами, инверторы и т. д.

 

Силовые модули

Компания Microsemi выпускает широкую номенклатуру стандартных силовых полупроводниковых модулей, а также специализированных изделий, разрабатываемых по индивидуальному заказу. Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, следствием чего является существенное уменьшение влияния паразитных активных и реактивных элементов на параметры устройства [6]. Это, в свою очередь, обеспечивает безопасную работу на высоких частотах, повышает КПД и снижает уровень возможных электромагнитных помех, упрощая требования к внешним фильтрам. Поскольку в процессе производства модуля все внутренние соединения задаются маской, достигается исключительная повторяемость термических и электрических параметров — как для серии, так и для партии в целом.

Серия стандартных силовых модулей Microsemi с широким выбором конструктивно-технологического исполнения включает устройства всех самых распространенных конфигураций ключевых схем (табл. 5). Их производство основано на использовании кристаллов IGBT, MOSFET, а также силовых диодов (FRED и SiC), выпускаемых компанией.

Таблица 5. Матрица силовых модулей Microsemi

Топологии схем модулей

IGBT
(600–1700 В)

MOSFET
(75–1200 В)

Диодные
(300–1700 В)

Комбинированные SiSiC (600 и 1200 В)

SiC-модули
(600 и 1200 В)

Асимметричный мост

Х

Х

 

 

 

Повышающая/Понижающая

Х

Х

 

 

 

Повышающий/понижающий чоппер

Х

Х

 

Х

Х

С общим анодом

 

 

Х

 

 

С общим катодом

 

 

Х

 

 

Двойной повышающий/понижающий чоппер

Х

Х

 

Х

 

Два транзистора с общим истоком

Х

Х

 

 

 

Два диода

 

 

 

 

Х

Мост

Х

Х

Х

 

Х

Мост + PFC

Х

Х

 

Х

 

Мост + выпрямительный диодный мост

Х

Х

 

Х

 

Мост + последовательные
и параллельные диоды

 

Х

 

Х

 

Многофазный PFC

Х

Х

 

 

 

Линейный одиночный
и двойной ключ

 

Х

 

 

 

Полумост

Х

Х

Х

 

Х

Интеллектуальный полумост

Х

 

 

 

 

Полумост + PFC

 

Х

 

Х

 

Полумост + последовательные и параллельные диоды

 

Х

 

Х

 

Одиночный ключ

Х

Х

Х

 

 

Одиночный ключ + последовательные
и параллельные диоды

 

Х

 

Х

 

Одиночный ключ + последовательные диоды

Х

Х

 

 

 

Трехуровневый инвертор

Х

 

 

 

Х

Трехуровневый инвертор T-типа

Х

 

 

Х

 

трехфазный мост

Х

 

Х

 

 

Три сдвоенных транзистора
с общим истоком

Х

Х

 

 

 

Три полумоста

Х

Х

 

Х

 

Особого внимания заслуживают компоненты, выполненные на основе SiC-технологии изготовления. Характеристики SiC-модулей слабо подвержены влиянию изменений температур экcплуатации вследствие более высокой температуры перехода (+175 °С). Это обеспечивает долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации. Всю предлагаемую SiC-линейку можно разделить на диодные и транзисторные модули. Первая группа состоит из двух отдельных диодов, включаемых как в одном направлении, так и встречно, либо из четырех диодов, образующих выпрямительный мост (табл. 6).

Таблица 6. Диодные модули Microsemi на основе SiC

Два диода

VR, В

IF, А
(при TC = +100 °C)

VF, В
(при TJ = +25 °C)

Тип корпуса

Конфигурация

600

20

1,6

SOT-227

APT2X20DC60J

APT2X21DC60J

30

APT2X30DC60J

APT2X31DC60J

40

APT2X40DC60J

APT2X41DC60J

50

APT2X50DC60J

APT2X51DC60J

60

APT2X60DC60J

APT2X61DC60J

1200

20

APT2X20DC120J

APT2X21DC120J

40

APT2X40DC120J

APT2X41DC120J

50

APT2X50DC120J

APT2X51DC120J

60

APT2X60DC120J

APT2X61DC120J

Четыре диода

600

20

1,6

SP1

APTDC20H601G

40

SP1

APTDC40H601G

40

SOT-227

APT40DC60HJ

1200

10

SOT-227

APT10DC120HJ

20

SP1

APTDC20h2201G

20

SOT-227

APT20DC120HJ

40

SP1

APTDC40h2201G

40

SOT-227

APT40DC120HJ

Все вышесказанное о преимуществах SiC-диодов, а именно — превосходные рабочие характеристики на повышенных частотах эксплуатации, низкий уровень шума и потерь при переключениях, в полной мере относится и к диодным модулям. Объединение в одном малогабаритном корпусе нескольких элементов позволяет сократить занимаемое на печатной плате место. Изолированные корпуса SOT-227 и SP1с возможностью непосредственного монтажа радиатора обладают напряжением изоляции вывод–корпус 2500 и 4000 В соответственно.

Рис. 4. Внешний вид транзисторных SiC-модулей компании Microsemi

Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC-элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства. Силовые SiC-модули для промышленного диапазона температур выполнены по различным электрическим конфигурациям и предлагаются в низкопрофильных корпусах, внешний вид которых показан на рис. 4. В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия, которая обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к его системе охлаждения, при этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить дополнительную защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает величины 1700 В. В таблице 7 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств (новинки отмечены цветом).

Таблица 7. Транзисторные SiC-модули компании Microsemi

Силовые IGBT-модули с SiC-диодами

Повышающий чоппер

VRRM, В

Тип IGBT

IC, A
(при TC = +80 °C)

VCE(on), В

Тип корпуса

NTC*

Артикул

600

NPT

50

2,1

SOT-227

APT50GF60JCU2

1200

NPT

15

3,2

SOT-227

APT15GF120JCU2

25

3,2

SOT-227

APT25GF120JCU2

50

3,2

SP1

есть

APTGF50DA120CT1G

TRENCH 4 FAST

25

2,05

SOT-227

APT25GLQ120JCU2

40

2,05

SOT-227

APT40GLQ120JCU2

Двойной чоппер

1200

TRENCH 4 FAST

40

2,05

SP3F

есть

APTGLQ40DDA120CT3G

Силовые MOSFET и CoolMOS-модули с SiC-диодами

Одиночный ключ + последовательный FRED и параллельные SiC-диоды

VDSS, В

Тип MOSFET

RDS(on), мОм

ID, A
(при TC = +80 °C)

Тип корпуса

NTC*

Артикул

1000

MOS7

65

110

SP6

опция

APTM100UM65SCAVG

1200

100

86

SP6

опция

APTM120U10SCAVG

Чоппер

500

MOS8

65

43

SOT-227

APT58M50JCU2

600

CoolMOS

45

38

SOT-227

APT50N60JCCU2

24

70

SP1

есть

APTC60SKM24CT1G

18

107

SP4

есть

APTC60DAM18CTG

900

CoolMOS

120

25

SOT-227

APT33N90JCCU2

60

44

SP1

есть

APTC90DAM60CT1G

60

44

SP1

есть

APTC90SkM60CT1G

1000

MOS8

330

20

SOT-227

APT26M100JCU2

330

20

SOT-227

APT26M100JCU3

1200

MOS8

560

15

SOT-227

APT20M120JCU2

560

15

SOT-227

APT20M120JCU3

300

23

SP1

есть

APTM120DA30CT1G

Полумост + последовательные FRED и параллельные SiC-диоды

500

MOS7

38

67

SP4

есть

APTM50AM38SCTG

24

110

SP6

APTM50AM24SCG

600

CoolMOS

35

54

SP4

есть

APTC60AM35SCTG

24

70

SP4

есть

APTC60AM24SCTG

18

107

SP6

APTC60AM18SCG

900

CoolMOS

60

44

SP4

есть

APTC90AM60SCTG

800

CoolMOS

150

21

SP4

есть

APTC80A15SCTG

100

32

SP4

есть

APTC80A10SCTG

75

43

SP6

APTC80AM75SCG

1000

MOS7

130

49

SP6

APTM100A13SCG

Мост + последовательные FRED и параллельные SiC-диоды

500

MOS7

75

34

SP4

есть

APTM50HM75SCTG

600

CoolMOS

70

29

SP4

есть

APTC60HM70SCTG

45

38

SP4

есть

APTC60HM45SCTG

800

CoolMOS

290

11

SP4

есть

APTC80h39SCTG

900

CoolMOS

120

23

SP4

есть

APTC90h22SCTG

1000

MOS7

450

14

SP4

есть

APTM100h55SCTG

Три полумоста

600

CoolMOS

24

87

SP6-P

есть

APTC60TAM21SCTPAG

1000

MOS7

350

50

SP6-P

есть

APTM100TA35SCTPG

Силовые модули на основе SiC MOSFET

VDSS, В

Технологии

RDS(on), мОм

ID, A (при TC = +80 °C)

Тип корпуса

NTC*

Наименование

Трехуровневый инвертор Т-типа

600/1200

IGBT и SiC MOSFET

110

20

SP3F

есть

APTMC120HR11CT3G

40

50

SP3F

есть

APTMC120HRM40CT3G

Трехуровневый инвертор

600

SiC MOSFET

110

20

SP3F

есть

APTMC60TL11CT3AG

55

40

SP3F

есть

APTMC60TLM55CT3AG

14

160

SP6

APTMC60TLM14CAG

Полумост

1200

SiC MOSFET

55

40

SP1

есть

APTMC120AM55CT1AG

25

80

SP3

есть

APTMC120A25CT3AG

20

108

SP1

есть

APTMC120AM20CT1AG

16

102

D3

APTMC120AM16CD3AG

12

150

SP3

есть

APTMC120AM12CT3AG

9

200

SP3

есть

APTMC120AM09CT3AG

8

200

D3

APTMC120AM08CD3AG

50

59

SP1

есть

APTSM120AM55CT1AG

25

118

SP3

есть

APTSM120AM25CT3AG

17

178

D3

APTSM120AM14CD3AG

11

268

D3

APTSM120AM09CD3AG

10

293

SP6

есть

APTSM120AM08CT6AG

1700

60

40

SP1

есть

APTMC170AM60CT1AG

30

80

SP1

есть

APTMC170AM30CT1AG

Три полумоста + параллельные SiC-диоды

1200

SiC MOSFET

33

60

SP6-P

есть

APTMC120TAM33CTPAG

17

100

SP6-P

есть

APTMC120TAM17CTPAG

12

150

SP6-P

есть

APTMC120TAM12CTPAG

33

89

SP6-P

есть

APTMC120TAM33CTPAG

Повышающий чоппер

1200

SiC MOSFET

40

50

SOT-227

APT50MC120JCU2

Примечание: * — встроенный датчик температуры с отрицательным температурным коэффициентом.

Ключевыми особенностями изделий являются высокоскоростная коммутация с низкими потерями, малая входная емкость, незначительные требования к схемам драйверов и минимальная паразитная индуктивность, что в сумме позволяет создавать высокоэффективные силовые устройства. Основные сферы применения включают импульсные источники питания, высоковольтные ККМ и умножители напряжения, мощные инверторы, преобразователи для солнечных батарей, промышленные электроприводы и другое силовое оборудование.

 

Заключение

Компания Microsemi предлагает широкую линейку высоковольтных дискретных и модульных компонентов в различном корпусном исполнении, отвечающую современным требованиям рынка силовой электроники. Наработанные в компании технологии производства, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.

полупроводниковые приборы

 

главная

основы

элементы

примеры расчетов

любительская технология

общая схемотехника

радиоприем

конструкции для дома и быта

связная аппаратура

телевидение

справочные данные

измерения

обзор радиолюбительских схем в журналах

обратная связь

         реклама

 

 

резисторы и конденсаторы     полупроводниковые приборы    акустические приборы     микросхемы     солнечные фотоэлементы    SMD компоненты   реле электромагнитные  полупроводниковые оптоприборы

            ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал, или проще полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. Одни из них - медь, железо, алюминий и другие металлы - хорошо проводят электрический ток - это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят ток. Они непроводники, изоляторы (диэлектрики). Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

 

Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс - к аноду, минус - к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод "наоборот", то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.

 

Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг "пробивается" и начинает пропускать ток. Напряжение "пробоя" называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения.
Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки - метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода - это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.

 

Транзисторы. Из полупроводниковых приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор - усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое - за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления.
Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база - эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор - эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.

 

Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-n-р или n-р-n. Так различаются транзисторы с разным чередованием слоев полупроводниковых материалов (если в диоде два слоя материала, здесь их три). Но не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно.
Усилительные способности транзистора определяются его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важен, и он оговаривается в описании. О том, как его измерить, вы узнаете позже.
Чтобы при подключении того или иного транзистора к деталям самоделки не перепутать выводы, нужно четко знать их расположение - цоколевку. 

На схемах диод обозначается буквами VD, а транзистор - VT.

Существует еще один тип диодов - Лямбда - диод:

Лямбда - диод не является представителем нового класса полупроводниковых приборов - он получается путем включения двух комплементарных (взаимодополняющих) полевых транзисторов. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет строить на его основе очень простые генераторы РЧ колебаний. На рисунке в качестве примера приведена схема простейшего высокочастотного генератора всего из трех деталей. Генераторы, собранные на основе Лямбда - диода обладают очень хорошей температурной стабильностью, большой и стабильной амплитудой выходного сигнала. Такой диод можно изготовить, например, из полевых транзисторов типов КП103 и КП303. Максимальная граничная частота  Лямбда-диода может достигать десятков мегагерц.

отдельный класс полупроводниковых приборов представляют собой так называемые полупроводниковые оптоприборы

К этому классу относятся, например, свето и фотодиоды. Промышленностью выпускаются также фототранзисторы и фоторезисторы. Существуют полупроводниковые лазеры. Спектр рабочих волн таких приборов простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. Позже мы обязательно поговорим об этом...

                                                                                 вверх

 

Разница между диодом и транзистором (со сравнительной таблицей)

Диод и Транзистор считается основой электронных устройств и схемы. Но на этом сходство между этими важнейшими устройствами в области электроники заканчивается. Основное различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод - это устройство с двумя выводами , которое пропускает ток только в одном направлении от анода к катоду.

Напротив, транзистор представляет собой трехконтактное устройство , которое пропускает ток из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением . Само слово «транзистор» выражает его функцию, слово «транзистор» образовано от двух слов: Transfer и Resistor . Таким образом, это считается устройством, которое передает сопротивление из одной области в другую.

Есть определенные факторы, которые различают эти два устройства, такие как область истощения, приложения и т. Д. Мы обсудим все эти факторы с помощью сравнительной таблицы.

Содержимое: диод против транзистора

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение


Сравнительная таблица
Параметры Диод Транзистор
Определение Диод - это устройство с двумя выводами, которое позволяет току проходить только в одном направлении. Транзистор представляет собой трехконтактное устройство, которое позволяет току течь из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением
Формирование Он образован путем соединения полупроводника P-типа с полупроводником N-типа. Он сформирован путем размещения слоя материала P-типа или N-типа между двумя материалами N-типа или P-типа на обоих концах.
Обозначение цепи
Слой истощения Образуется только одна область истощения. Формируются две области истощения.
Количество переходов Только один переход между полупроводником P-типа и N-типа. Два перехода образованы один между эмиттером и базой, а другой между базой и коллектором.
Клеммы В диоде 2 клеммы, то есть анод и катод. В транзисторе есть 3 клеммы: эмиттер, база и коллектор.
Считается Можно рассматривать как коммутатор. Его можно рассматривать как выключатель или как усилитель.
Приложения Выпрямитель, двойное напряжение, ограничитель и т. Д. Усилитель, осциллятор и т. Д.


Определение

Диод

Диод формируется путем объединения двух образцов полупроводников, один из которых представляет собой полупроводник P-типа , а другой - полупроводник N-типа. Переход, образованный соединением этих двух полупроводников, называется PN переходом.Слой обеднения формируется из-за разной концентрации носителей заряда в обеих областях.

Полупроводник P-типа имеет дырки в качестве основных носителей, в то время как полупроводник N-типа имеет электроны в качестве основных носителей. Теперь поведение PN-перехода будет другим в несмещенном режиме и в режиме смещения.

Давайте сначала обсудим несмещенный режим . В несмещенном режиме электроны из N-области и дырки из P-области будут двигаться к стыку из-за градиента концентрации.Наступает стадия, когда носители заряда больше не диффундируют через переход. Эта стадия называется стадией насыщения .

После этого электроны и дырки, достигшие перехода, рекомбинируют. В связи с этим будет ограничено движение дальнейших мажоритарных перевозчиков. Образованная таким образом область называется обедненным слоем. Это создаст внутреннее электрическое поле.

Теперь переходим к режим смещения , когда применяется смещение, то есть соединение P-типа с положительной клеммой и N-типа с отрицательной клеммой.Прямой ток начнет течь от анода к катоду. Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.

Точно так же ширина обедненного слоя увеличивается при условии обратного смещения в режиме обратного смещения. Ток, протекающий в диоде, возникает из-за неосновных носителей заряда. Это называется обратным током насыщения , потому что он насыщается после определенного обратного напряжения. Далее он не увеличивается с увеличением обратного напряжения.

Обратный ток увеличивается только с повышением температуры .

Транзистор

Транзистор - это трехполюсное устройство, состоящее из трех областей и двух переходов. Области - это эмиттер , база и коллектор . Эти два перехода - это переход база-эмиттер , и переход база-коллектор .

Эти регионы имеют разные характеристики, и все они разного размера.Эмиттер сильно легирован, поэтому может быть создано больше носителей заряда; база слегка легирована, так что там рекомбинируют только несколько носителей заряда, а коллектор умеренно легирован.

Размер коллектора больше, чем эмиттер, а также коллектор, в то время как размер базы самый маленький среди всех трех регионов. Ширина обедненного слоя между коллектором и базой больше, чем ширина перехода база-эмиттер.

Эмиттер и база подключены к батарее таким образом, что они работают в режиме прямого смещения, в то время как коллектор и база подключены к батарее таким образом, что она становится смещенной в обратном направлении.Следовательно, большинство носителей заряда будут перетекать от эмиттера к базе, а затем от базы к коллектору. Чем больше размер коллектора, тем больше будет носителей заряда, которые он собирает, а также будет происходить отвод тепла.

Ключевые различия между диодом и транзистором

  1. Ключевое различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод - это двухконтактное устройство , а транзистор - это трехконтактное устройство .
  2. PN переходный диод состоит из одной обедненной области , т.е.е. между P-типом и N-типом, но транзистор состоит из двух обедненных слоев.
  3. Диод считается переключателем , поскольку он может выполнять переключение, но транзистор может выполнять переключение, а также усиление .
  4. Для работы диода требуется только одна батарея, тогда как транзистору нужны две батареи для выполнения своей функции.


Заключение

Диод представляет собой однонаправленное устройство с двумя выводами, а транзистор - это устройство с тремя выводами, которое пропускает ток из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением через базу.Диод используется в различных приложениях электроники, таких как выпрямитель, ограничитель, фиксатор, умножитель напряжения, переключатели и т. Д. Диод действует как переключатель. Он включен, когда он смещен в прямом направлении, и выключен, когда он смещен в обратном направлении.

Транзистор может работать как переключатель, а также как усилитель. Приложение создает основное различие между диодом и транзистором. Диоды бывают различных типов, такие как стабилитрон , диод PIN , фотодиод , светоизлучающий диод и т. Д.в то время как транзисторы в основном бывают двух типов: биполярный транзистор , и полевой транзистор .

диодов, транзисторов и полевых транзисторов | Renesas

Введение в электронные схемы: 2 из 3

В нашей предыдущей сессии мы рассмотрели наиболее распространенные пассивные элементы, используемые в электронных схемах. На этот раз мы рассмотрим полупроводники и некоторые важные активные элементы, сделанные из них: диоды, транзисторы и полевые транзисторы.

Полупроводник между проводниками и изоляторами

Полупроводники расположены посередине между проводниками и изоляторами.Это материалы, такие как кремний (Si) и германий (Ge), которые сопротивляются электрическому току лучше, чем металлы, такие как серебро и алюминий, но не так хорошо, как изоляторы, такие как кварц и керамика.

Удельное сопротивление материала зависит от плотности свободных электронов, которые могут легко перемещаться при приложении напряжения. В общем, эту плотность можно довести до любого желаемого значения путем добавления соответствующих примесей к однородному материалу. Это позволяет создавать полупроводники, которые обеспечивают необходимый уровень проводимости для поставленной цели.

Полупроводник может быть N-типа или P-типа, в зависимости от того, как через него протекает ток.

Как ток проходит через полупроводник

(1) Полупроводники N-типа

На рисунке 1 показана типичная структура полупроводника N-типа. Этот полупроводник состоит из кристалла кремния, легированного атомами фосфора (P). Атом фосфора имеет пять валентных электронов, четыре из которых образуют прочные ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый остается свободным.При комнатной температуре свободные электроны часто меняются местами с соседними связанными электронами; или, другими словами, любой конкретный электрон иногда будет связан, а иногда и свободен. В результате всегда есть запас свободных подвижных электронов, способных переносить ток. Этот вид полупроводника называется «N-типом», потому что он в основном использует свои (отрицательно заряженные) электроны для переноса тока. Между тем, донорные (легирующие) атомы, отдающие электрон в этот процесс, приобретают положительный заряд.

Рисунок 1: Структура полупроводника N-типа

(2) Полупроводники P-типа

На рисунке 2 показана структура полупроводника P-типа. В этом случае кристалл кремния был легирован атомами бора (B). Опять же, каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона; но атомы бора, которых всего три, «недостаточны». Только небольшое количество кинетической энергии необходимо, чтобы освободить электрон от соседнего атома кремния; затем этот электрон быстро «принимается» атомом бора.В атоме кремния, однако, теперь остается «дыра», которая вскоре притягивает электрон из другого ближайшего атома кремния. По мере продолжения процесса отверстия «перемещаются», производя ток. Такой полупроводник называется «P-типом», так как большая часть его тока проходит через дырки. Атомы примеси, которые принимают электрон в этом процессе, становятся отрицательно заряженными.

Рисунок 2: Структура полупроводника P-типа

Диоды: улица с односторонним движением

Полупроводниковый диод состоит из полупроводника P-типа с одной стороны и полупроводника N-типа с другой.Носители с каждой стороны диффундируют через центральную область (соединение P-N) и объединяются в пары, создавая центральную область, в которой нет носителей. Электрически заряженные примеси в этой области образуют электрическую границу, которая останавливает дальнейшую диффузию и образование пар. Эта граничная область, свободная от носителей, называется обедненным слоем.

Если положительное напряжение приложено к клемме со стороны P-типа диода и отрицательное напряжение к клемме со стороны N-типа, это «прямое» напряжение будет подталкивать больше несущих (отверстия на стороне P-типа , электроны на стороне N-типа) в обедненный слой, делая его более узким и заставляя больше носителей диффундировать через границу, образовывать пары и исчезать.Между тем, приложенное напряжение генерирует ток, который продолжает подавать больше носителей, так что ток может продолжать течь.

Если, однако, приложено напряжение обратного смещения (отрицательное на стороне P, положительное на стороне N-типа), то это напряжение будет отодвигать носители от центра к соответствующим клеммам, расширяя слой обеднения, так что текущий поток заблокирован.

Рисунок 3: Структура диода с PN-переходом

В результате диод пропускает ток только в одном направлении (называемом прямым направлением) и блокирует движение тока в другом направлении (обратном направлении).Используемый таким образом диод также называется выпрямителем: компонент, пропускающий ток только в одном направлении.

Напряжение и сила тока диода

На рисунке 4 показаны электрические характеристики диода. Обратите внимание, что не будет тока вообще ― даже в прямом направлении ―, если не будет приложено напряжение. Напряжение, необходимое для начала протекания тока в прямом направлении, варьируется в зависимости от материала полупроводника: от 0,7 до 0,8 В для кремниевого диода, около 0.2 В для диода с барьером Шоттки и от 2 до 5 В или более для светодиода (LED).

Для протекания тока в обратном направлении потребуется значительно более высокое напряжение; термин «напряжение пробоя» относится к обратному напряжению, выше которого ток увеличивается очень быстро с увеличением напряжения. Поскольку это напряжение пробоя по существу не зависит от тока, эти характеристики обратного напряжения могут использоваться для реализации регуляторов напряжения и других подобных функций.

Рисунок 4: Характеристики напряжения и тока диода

Твердотельный транзистор

: основной компонент, впервые запущенный в эксплуатацию

Биполярный транзистор (в отличие от полевого транзистора, описанного ниже) состоит из центра P-типа или N-типа, зажатого между внешними поверхностями N-типа или P-типа. Существует два основных типа: NPN-типа (с P-типом в центре) и PNP-типа (с N-типом в центре).

На рисунке 5 показана работа транзистора NPN.База и эмиттер, вместе взятые, имеют такую ​​же структуру, как диод. В этом примере приложение прямого напряжения (около 0,7 В) вызывает протекание базового тока (I B ), так что много свободных электронов перемещаются из области эмиттера в область базы. Если эмиттер выкачивает больше носителей, чем может быть рекомбинировано в базовой области, избыточные свободные электроны перемещаются в область коллектора в соответствии с приложенным напряжением E 2 . В типичном приложении количество свободных электронов, выходящих из эмиттера, будет в 10-100 раз больше количества, которое может рекомбинировать в базовой области.Таким образом, ток коллектора (I C ) будет превышать I B на тот же коэффициент (от 10 до 100). Если I B равен 0, то I C также будет 0, поскольку эмиттер не будет выпускать никаких носителей.

Рисунок 5: NPN-транзистор

Другими словами, прямой ток I B между базой и эмиттером эффективно управляет током I C между эмиттером и коллектором. Благодаря этой особенности транзисторы могут использоваться отдельно для реализации переключателей и усилителей, в то время как они также являются наиболее важным компонентом в современной электронной схеме.Их можно комбинировать множеством разных способов для создания множества сложных схем.

Транзисторы как переключатели

Как объяснялось выше, транзистор может производить ток коллектора, который во много раз превышает ток его базы. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления прямого тока или hFE. Это усиление может принимать значение от 100 до 700.

Как видно из схемы, показанной на Рисунке 6, подача 0 В на вывод IN приводит к нулевому току базы и, следовательно, нулевому току коллектора.Соответственно, нет тока через сопротивление нагрузки R L , а выход на клемме OUT составляет 12 В.

Теперь, если мы подадим достаточно высокое напряжение между базой и эмиттером (обычно около 0,7 В или выше по сравнению с 0 В), это вызовет протекание базового тока, который, в свою очередь, создаст ток коллектора, который в hFE умножает на базу. Текущий; за исключением того, что фактический ток будет ограничен резистивной нагрузкой R L до значения ((12 В - Vce-sat (напряжение насыщения)) / R L ).Этот тип коммутационной схемы часто используется, чтобы позволить микроконтроллеру, логической ИС или подобному небольшому компоненту управлять энергоемким устройством, которое он не может управлять напрямую, например, светодиодным индикатором питания, реле или двигателем постоянного тока.

Рисунок 6: Транзистор, работающий как переключатель

Ключевой компонент интегральных схем

Существует два основных типа полевых транзисторов (полевых транзисторов): полевые МОП-транзисторы (полевые транзисторы из металла, оксида и полупроводника) и полевые транзисторы с переходным соединением.В частности, полевые МОП-транзисторы имеют более плоскую структуру, чем биполярные транзисторы, рассмотренные выше, могут быть размещены ближе друг к другу, не подвергаясь перекрестным помехам, и могут работать с низким энергопотреблением. Поэтому они поддерживают лучшую интеграцию и миниатюризацию и стали важными компонентами ИС и БИС. Давайте кратко рассмотрим, как работает полевой МОП-транзистор.

На рисунке 7 показан МОП-транзистор N-типа. Он имеет вывод затвора («G»), под которым находится оксидная пленка, служащая изолятором. Также имеется вывод истока («S») с одной стороны от G и вывод стока («D») с другой стороны.Когда между затвором и истоком нет напряжения, полупроводник P-типа, разделяющий исток и сток, действует как изолятор. Таким образом, ток не течет между истоком и стоком.

Рисунок 7: МОП-транзистор N-типа

Когда на затвор подается напряжение, оно притягивает и подтягивает свободные электроны, которые находятся прямо под затвором, в результате чего этих электронов становится много в области между истоком и стоком. Эти электроны образуют канал, по которому теперь может свободно течь ток.

Другими словами, напряжение затвора используется для управления током между истоком и стоком. МОП-транзисторы в основном используются в схемах переключателей и усилителей. Их также можно использовать для обеспечения постоянного тока, поскольку приложение фиксированного напряжения на затворе будет генерировать фиксированный ток между истоком и стоком.

На MOSFET N-типа канал является N-типом. На МОП-транзисторе P-типа канал является P-типом.

CMOS Semiconductors: важный элемент цифровых схем

Полупроводник CMOS (комплементарный MOS) - это набор полевых МОП-транзисторов, подключенных, как показано на рисунке 8.Когда на клемму IN подается напряжение 0 В или VCC, то один или другой из этих полевых МОП-транзисторов будет включен. Это означает, что между VCC и GND почти нет тока. Поэтому устройства CMOS хороши для создания логических схем с низким энергопотреблением. Большинство современных БИС и ИС построены по технологии CMOS.

Рисунок 8: Инвертор CMOS

На следующем занятии мы узнаем об основных ИС и операционных усилителях, используемых для усиления аналоговых сигналов.

Список модулей

  1. Пассивные элементы
  2. Диоды, транзисторы и полевые транзисторы
  3. Операционные усилители, схема компаратора

Разница между диодом и транзистором (со сравнительной таблицей)

Одно из основных различий между диодом и транзистором состоит в том, что диод преобразует переменный ток в постоянный ток, в то время как транзистор передает входные сигналы от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением.Другие различия между ними поясняются ниже в табличной форме.

Диод также известен как кристаллический диод, потому что он состоит из кристаллов (кремния или германия). Это двухконтактное устройство, которое начинает проводить ток, когда положительный вывод источника питания подключается к области p-типа, а отрицательный вывод подключается к n-области диода.

Транзистор имеет три области: эмиттер, коллектор и базу. Эмиттер сильно легирован, поэтому он может переносить тяжелую заряженную частицу на базу.База транзистора меньше по размеру и слегка легирована, поэтому носитель заряда легко перемещается от базы к области коллектора. Коллектор - это самая большая область транзистора, потому что он может рассеивать тепло, выделяемое на переходе база-коллектор.

Содержимое: диод против транзистора

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Диод Транзистор
Определение Полупроводниковый прибор, в котором ток течет только в одном направлении. Полупроводниковое устройство, которое передает слабый сигнал от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением.
Символ
Использует Выпрямитель Регулятор, усиление и выпрямление
Клемма Два (анод и катод) Три (эмиттер, база и коллектор)
Переключатель Неуправляемый Управляемый
Типы Соединительный диод, светоизлучающий диод, фотодиоды, диоды Шоттки, туннель, вератор и стабилитрон. Биполярный транзистор и полевой транзистор.
Область P-область и N-область Эмиттер, коллектор и база
Область истощения Один Два

Определение диода

Диод представляет собой устройство с двумя выводами, которое позволяет току течь в одном направлении. Диод изготовлен из полупроводникового материала и в основном используется для выпрямления.Проводимость в цепи возникает при прямом смещении диода.

Прямое смещение означает, что материал P-типа подключен к положительной клемме батареи, а материал N-типа подключен к отрицательной клемме батареи. Блок-схема диода представлена ​​на рисунке ниже.

Определение транзистора

Транзистор - это трехконтактное устройство, которое используется для усиления электрических сигналов. Он состоит из полупроводникового материала.Эмиттер, коллектор и база - это три вывода батареи. Эмиттерный переход имеет прямое смещение и имеет небольшое сопротивление, тогда как коллекторный переход имеет обратное смещение и имеет высокое сопротивление. Когда слабый сигнал вводится в цепь с низким сопротивлением транзистора, он передает сигнал из цепи с высоким сопротивлением.


Ключевые различия между диодом и транзистором

  1. Диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении, тогда как транзистор передает сопротивление из области с низким сопротивлением в область с высоким сопротивлением.
  2. Диод используется для преобразования переменного тока в постоянный или для выпрямления, тогда как транзистор в основном используется для усиления и в качестве регулятора.
  3. Диод имеет два вывода, а именно анод и катод: анод - положительный вывод, а катод - отрицательный вывод диода. Транзистор имеет три вывода; они эмиттер, коллектор и база.
  4. Диод - это тип неуправляемого переключателя, тогда как транзистор - это управляемый переключатель.
  5. Транзистор в основном подразделяется на два типа, т.е.е., биполярный переходной транзистор и полевой транзистор. BJT использует как электроны, так и дырку в качестве носителя заряда, а полевой транзистор представляет собой униполярный транзистор. Диод бывает многих типов, например, фотодиоды, стабилитрон, туннельный диод, варакторный диод и т. Д.
  6. P-тип и N-тип - это две области диода. Дырка является основным носителем заряда P-области, а электроны - основным носителем заряда N-области диода. Транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор.Среди трех областей база является самой маленькой областью, а коллектор - самой большой областью транзистора.
  7. Диод имеет только один обедненный слой между P-типом и N-типом, тогда как транзистор имеет два обедненных слоя: один находится между эмиттером и базой, а другой - между базой и коллектором.

Считается, что транзистор состоит из двух диодов с PN переходом. Но два дискретных диода, соединенных спина к спине, никогда не работают как транзистор.

(PDF) Полупроводниковые диоды и транзисторы

(показано

) могут быть размещены на входе выпрямителей для изоляции и

с целью выравнивания напряжения. Использование однополупериодного выпрямителя

исключительно для маломощных приложений, если средний входной ток

не равен нулю. На выходе двухполупериодного выпрямителя

можно использовать конденсатор, чтобы минимизировать пульсации напряжения.

Диоды создают только положительное напряжение на

нагрузке.На рис. 2.13 показано выходное напряжение для полуволнового, двухполупериодного и двухполупериодного выпрямителей с конденсатором

. В этом случае идеальными считаются диоды

без прямого падения напряжения.

2.1.6.2 Свободный ход

Диод может использоваться как свободный путь для поддержания постоянного тока индуктора

. На рис. 2.14 представлен преобразователь постоянного тока

, в котором диод работает в режиме свободного хода

. Переключатель представляет собой транзистор.Без диода катушка индуктивности

вызвала бы чрезвычайно высокое значение dv / dt на ней, когда транзистор

переходит из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ. Такое высокое значение dv / dt

могло бы появиться на транзисторе, вероятно, разрушив его.

Однако диод позволяет избежать высокого dv / dt. Напряжение, создаваемое током индуктивности

, будет достаточно высоким для прямой поляризации диода. В этом преобразователе Con-

это напряжение чуть выше выходного напряжения.Идеальными считаются транзистор

и диод.

На рис. 2.15 представлены ток катушки индуктивности, ток

транзистора и ток диода. Обратите внимание, что ток катушки индуктивности

проходит через транзистор, когда он включен, и через диод

, когда транзистор выключен.

2.1.6.3 Умножитель напряжения

На рис. 2.16 представлена ​​схема умножителя напряжения с выходным напряжением

, в четыре раза превышающим амплитуду входного напряжения -

возраст, без учета падений напряжения на диоде.Эта схема используется

, когда требуется более высокое напряжение по сравнению с входным.

Трансформатор в этом случае используется только для изоляции.

2.1.7 PSPICE Model

SPICE - это платформа схем общего назначения, которую можно использовать для моделирования электронных и электрических схем

[4]. SPICE был первоначально разработан в Лаборатории исследований электроники Калифорнийского университета

в Беркли (1975). Название стоит

для программы моделирования для акцента на интегральных схемах.

Схема должна быть указана в терминах имен элементов, значений элемента

, узлов, переменных параметров и источников.

SPICE может выполнять несколько типов анализа цепей:

• Нелинейный анализ постоянного тока, вычисление переноса постоянного тока

• Нелинейный анализ переходных процессов - вычисляет сигналы как функцию

времени

• Линейный анализ переменного тока - вычисляет Боде графики как функция

частоты

• Анализ шума

• Анализ чувствительности

• Анализ искажений

• Анализ Фурье

• Анализ Монте-Карло

Кроме того, PSPICE имеет аналоговую и цифровую библиотеки стан-

компоненты dard, такие как операционные усилители, цифровые вентили,

и триггеры.Это делает его полезным инструментом для широкого спектра аналоговых и цифровых приложений

. Входной файл, называемый исходным файлом,

, состоит из трех частей: (1) операторов данных с описанием

компонентов и соединений; (2) контрольное состояние -

ments, которое сообщает SPICE, какой тип анализа выполнять; и

(3) операторы вывода, со спецификациями, что выходные данные должны быть напечатаны или нанесены на печать до

. Требуются два других оператора: заголовок

и конечный оператор.Оператор заголовка является первой строкой

и может содержать любую информацию, а оператор конца -

всегда .END. Кроме того, существуют комментарии

, которые должны начинаться со звездочки (*) и игнорируются SPICE.

Набор параметров модели устройства определяется на отдельной карте

.MODEL и назначается уникальному имени модели. Значения параметров Param-

определяются добавлением имени параметра, за которым следует

, за которым следует знак равенства и его значение.Параметрам модели без конкретного значения

присваиваются значения по умолчанию.

В качестве примера параметр модели для диода Шоттки

1N5818 представлен следующим текстом:

.MODEL 1N5818 D (IS = 263u RS = 73,1 м BV = 30,0 IBV = 1,00 м +

CJO = 203p M = 0,333 N = 1,90 TT = 4,32u)

Определение каждого параметра приведено в таблице 2.1. Описание параметра

выходит за рамки данной главы

.

Разработчик должен будет решить, в зависимости от приложения или исследования, следует ли ему или ей использовать более или менее сложную модель диодов

при моделировании схем.

2.2 Силовой биполярный транзистор

Первый транзистор был создан в 1948 году группой физиков

в Bell Telephone Laboratories и вскоре стал очень важным полупроводниковым устройством. Помимо того, что

стал важным коммутатором для силовой электроники, все микропроцессоры, микроконтроллеры и ПЛИС

имеют в своей микроэлектронной конструкции

транзистор для реализации необходимых логических схем

.До того, как был разработан транзистор, усиление осуществлялось с помощью электронных ламп или магнитных устройств.

Несмотря на то, что сейчас существуют интегральные схемы с миллионами

транзисторов, поток и управление всей электрической энергией по-прежнему

требует одиночных транзисторов. Таким образом, силовые полупроводниковые переключатели

составляют сердце современной силовой электроники.

В зависимости от области применения такие устройства должны иметь более высокие номинальные значения напряжения или тока

, характеристики мгновенного включения и выключения,

характеристик, очень низкое падение напряжения при полном включении, нулевой ток утечки-

состояние блокировки и надежность переключения

индуктивных нагрузок, которые измеряются с точки зрения безопасной рабочей зоны

(SOA) и второго пробоя с обратным смещением,

212 Полупроводниковые диоды и транзисторы

Как диод и светодиод Работа? | ОРЕЛ

С возвращением, капитаны компонентов! Сегодня пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к области полупроводниковых компонентов.Эти детали оживают, когда соединяются в цепь, и могут управлять электричеством разными способами! Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, пресловутом уродливом устройстве управления, которое позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, значит, вы уже далеко впереди, давайте приступим.

Управление потоком

Диод хорошо известен своей способностью управлять протеканием электрического тока в цепи.В отличие от пассивных компонентов, которые бездействуют, сопротивляясь или накапливая, диоды активно задействуют приливы и отливы тока, протекающего по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не течет через диод, и они включают:

  • С опережением. Если вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет проходить через диод; это называется состоянием с прямым смещением.
  • Обратно-смещенный. Когда вам удается вставить батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует прохождение любого тока, и это называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между состояниями прямого и обратного смещения диода в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, представьте диод как переключатель. Он либо закрыт (включен) и пропускает ток, либо открыт (выключен), и ток не может течь через него.

Полярность диодов и символы

Диоды - это поляризованные компоненты, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, поэтому для правильной работы их необходимо подключить в цепь. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из формы жестяной банки посередине. Одна сторона - это положительный вывод, который называется анодом . Другой вывод - это отрицательный конец, называемый катодом . Возвращаясь к нашему потоку электричества, ток может течь только в диоде от анода к катоду, а не наоборот.

Вы можете определить катодную сторону физического диода, посмотрев на серебряную полоску рядом с одним из выводов. (Источник изображения)

Вы можете легко обнаружить диод на схеме, просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод помечены как положительный и отрицательный, но простой способ запомнить, в каком направлении течет ток в диоде, - это следить за направлением стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление протекания тока.

В наши дни большинство диодов изготовлено из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике - кремния или германия. Но если вы знаете что-нибудь о полупроводниках, то знаете, что в своем естественном состоянии ни один из этих элементов не проводит электричество. Так как же заставить электричество проходить через кремний или германий? С помощью небольшого волшебного трюка под названием допинг.

Легирование полупроводников

Странные полупроводниковые элементы. Возьмем, к примеру, кремний.Днем это изолятор, но если вы добавите в него примеси с помощью процесса, называемого допингом, вы придадите ему магическую силу проводить электричество ночью.

Благодаря своим двойным свойствам как изолятор, так и проводник, полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны контролировать поток электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как работает процесс легирования в типичном куске кремния.

  • Развивайте это.Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
  • Допинг отрицательно. Теперь, когда кремний вырос, пришло время легировать его. Этот процесс может идти двумя путями. Первый - это легирование кремния сурьмой, которая дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Этот кремний называется кремнием n-типа или отрицательного типа, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
  • Допинг положительно. Можно также допировать кремний в обратном направлении. Добавляя бор к кремнию, он удаляет электроны из атома кремния, оставляя группу пустых дырок там, где должны быть электроны. Это кремний p-типа или положительного типа.
  • Объедините . Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете соединить их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете так называемое соединение.

Именно на этом перекрестке, который можно представить себе как ничейную землю, происходит вся магия диода.Допустим, вы соединяете кремний n-типа и p-типа, а затем подключаете батарею, создавая цепь. Что случится?

В этом случае отрицательный вывод подключен к кремнию n-типа, а положительный вывод подключен к кремнию p-типа. А между двумя кусками кремния - нейтральная зона? Что ж, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, о котором мы говорили в начале.

Правильное подключение батареи к кремнию n-типа и p-типа позволяет току течь через переход.(Источник изображения)

Теперь предположим, что вы подключаете батарею наоборот: отрицательная клемма подключена к кремнию p-типа, а положительная клемма - к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная зона между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принять диод.

Подсоедините батарею в непреднамеренном направлении, и ваш диод остановит протекание тока между n-типом и p-типом.(Источник изображения)

Прямое напряжение и пробои

Когда вы работаете с диодами, вы поймете, что для того, чтобы один пропускал ток, требуется очень определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть, что это называется напряжением включения или напряжением включения.

Что определяет это прямое напряжение? Полупроводник , материал и типа . Вот как он распадается:

  • Кремниевые диоды.Для использования кремниевого диода потребуется прямое напряжение от 0,6 до 1 В.
  • Германиевые диоды. Использование германиевого диода потребует более низкого прямого напряжения около 0,3 В.
  • Другие диоды. Специализированные диоды, такие как светодиоды, потребуют более высокого прямого напряжения, тогда как диоды Шоттки (см. Ниже) потребуют более низкого прямого напряжения. Лучше всего свериться с таблицей данных для вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.

Я знаю, что мы все это время говорили о диодах, позволяющих току течь только в одном направлении, но это правило можно нарушить.Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, вы действительно сможете изменить направление его тока! Определенная величина напряжения, которая вызывает этот обратный поток, называется напряжением пробоя . Для обычных диодов напряжение пробоя находится в диапазоне от -50 В до -100 В. Некоторые специализированные диоды даже предназначены для работы при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Семейство диодов - наконец вместе

Существует множество диодов, каждый из которых имеет свои собственные особенности.И хотя у каждого из них есть общая основа ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте посмотрим на каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

Ваш средний диод. Стандартные диоды имеют умеренные требования к напряжению и низкий максимальный ток.

Стандартный диод для повседневного использования, доступный в компании Digi-Key, обратите внимание на серебряную полоску, которая отмечает катодный конец. (Источник изображения)

Выпрямительные диоды

Это более мощные родственники стандартных диодов, они имеют более высокий максимальный ток и прямое напряжение.В основном они используются в источниках питания.

Более мощные собратья стандартного диода, разница состоит в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это необычный родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить величину потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, ища свой типичный символ диода с добавлением двух новых изгибов (S-образной формы) на катодном выводе.

Найдите изгибы на катодном конце диода, чтобы быстро определить, что это изгибы Шоттки.

Стабилитроны

Стабилитроны - это черная овца в семействе диодов. Эти парни используются для того, чтобы посылать электрический ток в обратном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, которое мы обсуждали выше, также называемое пробоем Зенера. Воспользовавшись этой пробивной способностью, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенной точке цепи.

Стабилитрон разительно отличается от остальных диодов семейства и может передавать ток от катода к аноду. (Источник изображения)

Фотодиоды

Фотодиоды - это непокорные подростки из семейства диодных. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды улавливают энергию источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях, а также в оптических коммуникациях.

Фотодиоды поглощают все это, улавливая энергию света и превращая ее в электрический ток.(Источник изображения)

Светодиоды (светодиоды)

Яркие звезды семейства диодов. Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с изгибом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Но вот загвоздка: светодиоды определенного цвета требуют разного прямого напряжения. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, а для красного светодиода требуется только 2,2 В.

Что делает эти светодиоды настолько популярными?

  • Эффективность .Светодиоды излучают свет с помощью электроники, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить массу энергии.
  • Контроль. Светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Пока перед ними установлен резистор, они обязательно будут работать!
  • Недорого. Светодиоды также очень недороги и рассчитаны на длительный срок службы. Вот почему они так часто используются в светофорах, дисплеях и инфракрасных сигналах.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, для каждого из которых требуется разное прямое напряжение! (Источник изображения)

Наиболее распространенное применение диодов

Поскольку диоды бывают разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах столь же богато! Вот лишь несколько примеров использования диодов:

Преобразование переменного тока в постоянный

Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может выполняться только диодами! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока позволяет вам подключить всю вашу повседневную электронику постоянного тока к розетке переменного тока в вашем доме.Есть два типа приложений преобразования, в которых играет свою роль диод:

  • Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы отправляете сигнал переменного тока в цепь, то ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в виде волны постоянного тока.

    Одиночный диод в цепи однополупериодного выпрямителя, ограничивающий отрицательный полюс сигнала переменного тока. (Источник изображения)

  • Полноволновое мостовое выпрямление .В этом процессе преобразования используются четыре диода. И вместо того, чтобы просто отсекать отрицательную часть сигнала переменного тока, такую ​​как полуволновой выпрямитель, этот процесс фактически преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала готовности постоянного тока.

    Двухполупериодный мостовой выпрямитель делает еще один шаг вперед, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный. (Источник изображения)

Пики напряжения управления

Вы также найдете диоды, которые используются в приложениях, где могут произойти неожиданные скачки напряжения.Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, которое попадает в диапазон напряжения пробоя диода.

Защита вашего тока

Наконец, вы также найдете диоды, которые используются для защиты чувствительных цепей. Если вы хоть раз разбили аккумулятор неправильно и ничего не взорвалось, то можете поблагодарить за это свой дружелюбный диод. Размещение диода последовательно с положительной стороной источника питания гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.

Пора освободиться

Вот и все, контрольный диод и все его сумасшедшие члены семьи! У диодов есть масса применений, от питания этих ярких светодиодных ламп до преобразования переменного тока в постоянный. Но почему, несмотря на все эти удивительные применения, диод не получил такой же огласки, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что дело в том, что на кухне слишком много поваров. Первый диод был открыт почти 150 лет назад, и с тех пор сотни инженеров и ученых приложили свои усилия, чтобы улучшить это открытие.Несмотря на долгую историю существования многих людей, диод до сих пор считается четвертым по значимости изобретением после колеса.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек диодов, которые вы можете начать использовать уже сегодня? Пропустите рутинную работу по созданию деталей, попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Полупроводниковые диоды и транзисторы - Learn CBSE

Полупроводниковые диоды и транзисторы

Электронные устройства
Устройства, действие которых основано на контролируемом потоке электронов через них, называются электронными устройствами.Электронные устройства являются строительными блоками всех электронных схем.
Электронные устройства бывают двух типов:

  1. Вакуумные лампы: Вакуумные диоды (катод, анод), триод (три электрода) и пентод (пять электродов) и т. Д.
  2. Твердотельные электронные устройства: Полупроводники являются основными материалами для разработки твердотельных электронных устройств, таких как переходной диод (2 электрода), транзистор (3 электрода) и интегральные схемы (IC).
    Твердотельные устройства лучше, чем вакуумные лампы, потому что вакуумные лампы громоздкие, потребляют большую мощность и напряжение (≈100 В), малый срок службы и низкую надежность, в то время как твердотельные устройства малы по размеру, потребляют низкую мощность и низкое напряжение, длительный срок службы и высокая надежность.

Уровни энергии и энергетические зоны
(a) Уровни энергии в атомах: В атоме электроны вращаются вокруг ядра по почти круговым орбитам с разными радиусами, представляющими оболочки и подоболочки.Энергия электронов в каждой подоболочке определена. Эти определенные значения энергии называются энергетическими уровнями атомов. Следовательно, каждый электрон будет иметь разные уровни энергии.
Они представлены прямыми линиями, проведенными параллельно друг другу на расстояниях, пропорциональных энергии, которую они представляют.
(b) Энергетические зоны в твердых телах (кристаллах): В кристалле атомы очень плотно упакованы. Кристалл объемом 1 куб. имеет около 10 23 плотно упакованных атома. На уровни энергии (значения) электронов во внешних оболочках влияет присутствие ядер других атомов.Из-за межатомного взаимодействия различные уровни энергии с непрерывной формой изменения энергии называются энергетической зоной.

Различные типы энергетических диапазонов

  1. Зона проводимости (C): Самая верхняя частично заполненная полоса называется полосой проводимости. Это так называется, потому что, вмещая в себя больше электронов, полоса обеспечивает электронам подвижность и помогает в проводимости.
  2. Валентная зона (V): Энергетическая зона, которая включает уровни энергии валентных электронов, называется валентной зоной.Это нижняя наиболее полностью заполненная полоса.
  3. Запретная зона (F): Зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости, называется Запретной зоной. Разница в крайних энергетических уровнях запрещенной зоны называется запрещенной зоной (E g ).

Проводники, изоляторы и полупроводники

  1. Проводники: В случае проводников частично заполненная зона проводимости (C) и валентная зона (V) перекрываются.Электроны валентной зоны свободно движутся в частично заполненной зоне проводимости.
    Свободные электроны могут двигаться даже при приложении небольшого электрического поля. Электрический ток течет.
  2. Изоляторы: В случае изоляторов пустая зона проводимости (C) и валентная зона (V) имеют запрещенную зону (E) около 6 эВ. Из-за большой запрещенной зоны электроны не перескакивают из валентной зоны в пустую. группа. Полоса валентности остается полностью заполненной.

    Электронное движение не происходит даже при приложении сильного электрического поля.Электрический ток не течет.
    Важным примером изолятора является алмаз с запрещенной зоной около 5,4 эВ.
  3. Полупроводники: В случае полупроводников частично заполненная зона проводимости (C) и валентная зона (V) имеют запрещенную зону (E g ) около левов. Из-за небольшой энергетической щели некоторые электроны могут набирать достаточную тепловую энергию при обычных комнатных температурах и попадать в пустую зону проводимости, чтобы сделать ее частично заполненной. Электроны, достигая зоны проводимости, покидают электронную вакансию (дырку) в валентной зоне.
    Из-за вакансии в валентной зоне некоторое движение электронов может происходить при приложении умеренного электрического поля. Протекает слабый электрический ток.
    Типичными примерами полупроводников являются кремний (14) и германий (32) с энергетической щелью около 1,2 эВ и 0,73 эВ соответственно.

Собственные и внешние полупроводники
(a) Собственные полупроводники: Чистый полупроводниковый материал называется внутренним полупроводником. Кристаллическая форма германия (Ge) и кремния (S i ) являются примерами собственных полупроводников.Концентрация дырок (n h ) = концентрация электронов (n e ) в чистом полупроводнике.
(b) Внешний полупроводник: Полупроводниковый материал, намеренно сделанный нечистым путем добавления подходящих примесных атомов посредством легирования, называется примесным полупроводником.
Бывает двух типов:

  1. Полупроводник n-типа: Полупроводник измененного типа получают путем добавления небольшого количества (одна миллионная часть) пятивалентной примеси, такой как фосфор (15), мышьяк (33), сурьма (51) или висмут (83). к чистому кристаллу полупроводника.
    Обычно для этой цели используется мышьяк (As). N e >> n h
  2. Полупроводник p-типа: Полупроводник Ap-типа получается добавлением небольшого количества (одна миллионная часть) трехвалентной примеси, такой как бор (5), алюминий (13), галлий (31), индий (49) или талий. (81) в чистый полупроводниковый кристалл.
    Обычно для этой цели берут индий (In). N h >> ne
    Процесс преднамеренного добавления примесей называется легированием.

Полупроводниковый диод (Junction Diode)
(a) Подготовка: Когда полупроводниковый кристалл p-типа выращивают над полупроводниковым кристаллом n-типа (или наоборот), общей поверхностью двух типов является называется перекрестком. Составной кристалл образует полупроводниковое устройство, называемое переходным диодом

(b) Описание: Во время образования p-n перехода происходят два важных процесса. Распространение и дрейф. Из-за более высокой концентрации дырок в p-сечении дырки диффундируют с p-стороны
на обратную сторону и оставляют ионизированный отрицательный заряд, который остается неподвижным.По мере того как отверстия продолжают диффундировать, на p-стороне перехода образуется слой отрицательного заряда. Точно так же электроны диффундируют из-за его высокой концентрации с обратной стороны на p-сторону и оставляют за собой неподвижный положительный заряд. По мере того как электроны продолжают диффундировать, на обратной стороне образовался положительный слой. Эта область пространственного заряда по обе стороны от перехода вместе известна как слой обеднения. Из-за диффузии создается электрическое поле, направленное от положительного заряда (обратная сторона) к отрицательному заряду (сторона p).Из-за этого поля электроны дрейфуют из p-стороны в обратную сторону, а дырки - из re-стороны в p-сторону, создавая ток дрейфа, противоположный току диффузии. Первоначально диффузионный ток большой, а дрейфовый ток небольшой, но когда эти токи становятся равными, образуется p-n-переход. Потеря электронов из повторной области и усиление электронов в p-области вызывает разность потенциалов на стыке двух областей. Это называется потенциальным барьером. Этот потенциальный барьер имеет тенденцию предотвращать дальнейший поток электронов из переобласти в p-область.

Смещение перехода
(a) Определение: Приложение внешней разности потенциалов к граням перехода называется смещением перехода.
Это делается путем подключения внешних концов двух секций переходного диода к положительной и отрицательной клеммам батареи (источнику разности потенциалов).
(b) Тип: Имеет два типа:
(1) Прямое смещение (2) Обратное смещение

  1. Прямое смещение: Когда внешний конец секции повторного типа подключен к отрицательной клемме, а конец p-образной секции подключен к положительной клемме, смещение перехода называется прямым смещением.
    Основные свободные носители заряда из каждой секции заставляются двигаться вперед к стыку. ЕСЛИ потенциал прямого смещения больше, чем потенциальный барьер, заряды с обеих секций пересекают переход, и ток течет через переход и цепь. Это называется прямым током. Он образуется за счет пересечения перекрестка большинством перевозчиков. Это порядка 10–3 А. Размер обедненного слоя уменьшается при прямом смещении и, следовательно, уменьшается сопротивление.
  2. Обратное смещение: Когда внешний конец секции повторного типа подключен к положительной клемме, а конец p-образной секции подключен к отрицательной клемме, смещение перехода называется обратным смещением.
    Свободные носители основного заряда из каждой секции заставляют двигаться в обратном направлении, от стыка. Заряды основных носителей не пересекают переход, и ток через переход не протекает из-за потока основных носителей. Заряд неосновных носителей перемещается к переходу из-за обратного смещения. Заряд неосновных носителей проходит через переход, и через переход проходит очень маленький ток порядка микрона. Размер обедненного слоя увеличивается при обратном смещении и, следовательно, увеличивается сопротивление.

Характеристики переходного диода
(a) Определение: Графики между напряжением смещения и током переходного диода называются характеристиками диода. Они раскрывают характер (поведение) переходного диода.
(b) Тип: Они бывают двух типов:
(1) Характеристика прямого смещения: Это получается путем построения графика между напряжением прямого смещения и прямым током. Сопротивление перехода для прямого смещения составляет около 10 Ом.
(2) Характеристика обратного смещения: Это получается путем построения графика между напряжением обратного смещения и током обратной цепи. Сопротивление перехода для обратного смещения составляет около 10 000 Ом.

Стабилитрон
Специально разработанный переходной диод с сильным легированием для работы в области обратного пробоя называется стабилитроном.
(a) Принцип: Он работает с явлением пробоя стабилитрона при обратном напряжении, при котором большие изменения тока диода вызывают только небольшое изменение напряжения диода.Это позволяет использовать стабилитрон в качестве регулятора напряжения.
(b) Пробой стабилитрона: Когда переходной диод смещен в обратном направлении, свободные носители заряда притягиваются (в обратном направлении) от перехода. Поскольку заряды не пересекают переход, во внешней цепи не течет ток.
По мере увеличения напряжения смещения ковалентные связи между атомами разрываются, освобождая больше электронов и дырок в каждой секции. Свободные дырки в секции n-типа и свободные электроны в секции p-типа называются неосновными носителями.
Обратное смещение заставляет эти неосновные носители двигаться к стыку и пересекать его. Таким образом, ток течет через переход и в обратном направлении. Течение очень маленькое.
При определенном обратном напряжении смещения происходит пробой и внезапно возрастает ток. Пробой называется пробоем Зенера, а напряжение называется напряжением Зенера (V z ). Когда напряжение обратного смещения V = Vz, тогда напряженность электрического поля достаточно высока, чтобы оттягивать валентные электроны от основных атомов на p-стороне, которые ускоряются на n-сторону. Эти электроны учитывают высокий ток, наблюдаемый при пробое.Эмиссия электронов из атомов хозяина из-за высокого электрического поля известна как внутренняя полевая эмиссия или полевая ионизация. Ситуация показана на рис. 10.04. Существует большое изменение тока диода при небольшом изменении напряжения диода.

Полупроводниковый триод (переходный триод) или транзистор
Введение. Когда тонкий слой слаболегированного полупроводника одного типа выращивают между двумя сравнительно широкими участками сильно легированного полупроводника другого типа, конструкция образует полупроводниковое устройство, называемое переходным триодом или транзистором.
Есть два типа транзисторов

  1. n-p-n транзистор
  2. p-n-p транзистор.

транзистор n-p-n. Он образуется путем выращивания тонкого слоя полупроводника p-типа поверх кристалла полупроводника n-типа. Затем более толстый слой n-типа выращивается поверх тонкого слоя p-типа.
Первый толстый слой называется эмиттером (E), второй тонкий слой называется базой (B), третий слой называется коллектором (C) Эмиттер, база и коллектор от трех важных клемм, отсюда и название «триод». .
Уровень легирования больше в эмиттере, чем в коллекторе. Но секция коллектора больше секции эмиттера. Тонкий базовый слой слегка легирован.
Обозначение транзистора n-p-n дано в, это символ транзистора p-n-p. Стрелка в эмиттере показывает направление потока положительного заряда в эмиттере.
Обозначения

Характеристика транзистора
(a) Определение: Графики, построенные между напряжением смещения и током в цепи, называются характеристиками транзистора.Они раскрывают характер (поведение) транзистора.
(b) Типы: Они бывают двух типов:

  1. Входные характеристики: В схеме с общей базой они получаются путем построения графиков между напряжением эмиттера (V e ) и током эмиттера (I e ) для различных постоянных напряжений коллектора (V c ).
    В схеме с общим эмиттером они получаются путем построения графиков между напряжением базы (V b ) и током базы (I b ) для различных постоянных напряжений коллектора (V c ).
  2. Выходные характеристики: В схеме с общей базой они получаются путем построения графиков между напряжением коллектора (V c ) и током коллектора (I c ) для различных постоянных эмиттерных токов (I e ).
    В схеме с общим эмиттером они получаются путем построения графиков между напряжением коллектора (V c ) и током коллектора (I c ) для различных постоянных базовых токов (I b ).

Руководство по физической лаборатории NCERT Solutions Class 12 Physics Образцы документов

Полностью оптические транзисторные, диодные и логические вентили на основе анизотропного нелинейно-чувствительного жидкого кристалла

Мы начинаем с создания оптического диода и оцениваем его характеристики прямой / обратной передачи и характеристики изоляции входа / выхода.Затем мы разработали оптический транзистор с системой накачки и пробника на одной длине волны и продемонстрировали каскадность, разветвление и восстановление логического уровня. Наконец, демонстрируются все операции оптического логического элемента (ИЛИ, И, НЕ) на основе такого оптического транзистора.

Оптический диод

Диод - основной компонент электронного транзистора. Оптический эквивалент - это пассивный элемент, обладающий невзаимной передачей, то есть он пропускает свет в одном направлении и блокирует обратный аналог.Как показано на рис. 1b, прямое смещение определяется как направление, в котором оптический сигнал исходит от подложки, при этом ось выравнивания параллельна оси передачи поляризатора, тогда как обратное смещение является обратным направлением. При прямом смещении и низких входных мощностях состояние поляризации падающего сигнала следует за закрученной осью директора ЖК, вращающейся на 90 °, а затем прекращается задним поляризатором. Действие оптического диода начинается, когда входная мощность достаточно высока (т.е.е. сверх «коленной» мощности P колена ), чтобы нейтрализовать эффект вращения поляризации посредством фотоиндуцированного изменения параметра порядка, которое уменьшает локальное нематическое двулучепреломление. Прозрачность достигает максимального значения, когда ТНЖК становится изотропным. При обратном смещении коэффициент пропускания остается близким к нулю при увеличении входного прохода P колена из-за плохого поглощения, поскольку поляризация перпендикулярна оси поглощения TNLC. Однако при очень большой потребляемой мощности (которую можно назвать «пробивной» мощностью P b ) поглощение может заметно повлиять на изменение параметра порядка, и диод с обратным смещением будет пропускать часть света. пройти.Таким образом, рабочий диапазон действия оптического диода TN составляет от P колено до P b .

На рисунке 1c показана кривая пропускания-входной мощности ( T - P ) для TN-диода с концентрацией красителя 0,76%, имитирующая соотношение тока и напряжения (I-V) типичного электронного диода. При прямом смещении диод TN начинает пропускать свет, когда входная мощность превышает 140 мВт ( P колено ), в конечном итоге достигая максимального коэффициента пропускания ~ 57.2% на входе ~ 500 мВт. Максимальное пропускание в первую очередь обусловлено потерей абсорбции красителя; следовательно, снижение уровня легирования может улучшить максимальное пропускание. Допирование TNLC красителем с концентрацией 0,76% масс., 0,5% масс. И 0,26% масс. Приводит к максимальному коэффициенту пропускания 57,2%, 70%, 78,5% соответственно. Однако более низкая концентрация красителя приводит к более высокой пороговой мощности. Для практического использования выходная мощность может быть увеличена путем каскадирования диода с полностью оптическим транзистором, который выполняет функцию увеличения сигнала (см. Раздел «Каскадность и разветвление»).Переключая направление распространения оптического сигнала, диод остается непрозрачным до тех пор, пока входная мощность не превысит порог пробоя P b на 350 мВт. Из-за дихроичных свойств D27, P b более чем в два раза больше, чем колено P . Этот интервал между P коленом и P b представляет собой область оптической изоляции диода, через которую проходят только прямые сигналы.Также измеряются области оптической изоляции TN-диода с различными концентрациями легирования, ср. Рис. 1г. Результаты показывают, что интервал оптической изоляции полностью регулируется путем правильного выбора концентрации красителя. Более высокий уровень легирования D27 в 5CB демонстрирует более сильное оптическое поглощение, вызывая большую эффективность фототермического преобразования и, следовательно, более низкие значения для P b и P колена .

Полностью оптический транзистор

Изменяя конфигурацию самомодуляции на трехполюсную (накачка-пробник), диод TN может функционировать как полностью оптический транзистор [Рис.2а]. Оптическая поляризация E C коллектора (управляемого) сигнала установлена ​​перпендикулярно оси поглощения (длинной оси красителя), в то время как основной (управляющий) сигнал имеет состояние поляризации E B параллельно оси поглощения. Модулированный коллекторный сигнал становится эмиттерным сигналом с поляризацией E E // E C . Выбирая соответствующие мощности P B возбуждения базы для управления изменением параметра порядка LC, устройство обеспечивает управляемый коэффициент пропускания для сигнала эмиттера.

Рисунок 2

Оптический транзистор TNLC, легированный красителем.

( a ) Принципиальная схема транзистора TNLC. ( b , c ) Оптическая управляемость (концентрация D27 = 0,76 мас.%) - соотношение между пропусканием эмиттера, мощностью коллектора и мощностью базы. ( d ) Fan-out - коэффициент увеличения с разной базовой мощностью, разные цвета обозначают разные концентрации красителя.

На рисунке 2b сравниваются кривые коэффициента пропускания к базовой мощности ( T - P B ) при различных мощностях коллектора P C в случае 0.76 мас.% D27; здесь коэффициент пропускания определяется как отношение мощности сигнала эмиттера к сигналу коллектора. В трехполюсной конфигурации базовая мощность управляет эффективностью преобразования между мощностью коллектора и эмиттера. По мере увеличения мощности коллектора параметр порядка жидкого кристалла начинает изменяться и обеспечивает различные начальные условия работы транзистора, что проявляется в уменьшении порогового значения базовой мощности. При той же мощности коллектора устройство может переключаться между прозрачным и непрозрачным состояниями путем выбора соответствующей мощности возбуждения базы, а сигнал, излучаемый транзистором, может быть модулирован аналоговым / цифровым способом.Кривые коэффициента пропускания к коллекторной мощности ( T - P C ) при различных базовых мощностях P B в том же устройстве показаны на рис. 2c. Каждая кривая представляет передаточные свойства транзистора при одинаковой базовой мощности. Увеличение мощности базы снижает пороговую мощность коллектора, что полностью демонстрирует оптическое управление транзистором. Как и в случае с диодом, управляющие мощности базы можно регулировать, изменяя уровень легирования D27, обеспечивая большую гибкость при проектировании фотонных схем.

Каскадность и разветвление

Поскольку включение / выключение транзистора определяется ориентационным порядком жидкого кристалла в транзисторе, коллекторный сигнал будет напрямую проходить через устройство без искажений в форме луча и длине волны (532 нм, в данном исследовании). Следовательно, сигнал эмиттера может действовать как коллекторный или базовый сигнал на следующем этапе. В практической каскадной схеме требуется усиление сигнала для компенсации потерь мощности, генерируемых на нескольких этапах.В нашем случае усиление сигнала достигается за счет посылки слабого сигнала в базу и сильного света в коллектор, мощность которого установлена ​​чуть ниже P b . Таким образом, генерируется клон базового сигнала с повышенной мощностью, который излучается эмиттером. На рис. 2d сравниваются характеристики различных транзисторов при увеличении сигнала, характеризуемом коэффициентом увеличения M [определяемым как отношение мощностей эмиттера и базы, P E / P B ].Он показывает, что M ~ 3,58 может быть достигнуто с транзистором с 0,5 мас.% D27 для мощности коллектора 400 мВт и базовой мощности 2,805 мВт во включенном состоянии. Этот результат означает, что устройство способно поддерживать 3 последовательных этапа. Поскольку значение M на рис. 2d обратно пропорционально базовой мощности, большее увеличение может быть получено при более низкой базовой мощности. Для работы с большим увеличением требуется высокий вход коллектора (следовательно, более низкая эффективность), потому что транзистор не может быть полностью включен базовым сигналом малой мощности.Одним из возможных способов повышения эффективности является использование красителя с высоким дихроичным соотношением 25 .

Восстановление логического уровня

Для повышения производительности оптической логической схемы оптический транзистор должен восстанавливать возмущение сигнала до определенного логического уровня, чтобы в схеме были только состояния «ВЫКЛ» и «ВКЛ». Здесь мы демонстрируем способность восстановления логического уровня транзистора с 0,76 мас.% D27. Коллекторный сигнал установлен на мощность ~ 170 мВт. Падающий базовый сигнал модулируется в форме прямоугольной волны (сигнал постоянного тока) с синусоидальным возмущением (сигнал переменного тока), как показано красной линией на рис.3. Поскольку амплитуда сигнала переменного тока составляет 100 мВт, что ниже значения базового сигнала P изгиб , может быть получено чистое выключенное состояние. Кроме того, 700 мВт смещения постоянного тока приводит к оптическому изотропному состоянию устройства, так что флуктуация базового сигнала больше не может влиять на выходные характеристики во включенном состоянии. Следовательно, восстановление логического уровня может быть реализовано, как показано черной линией на рис. 3. Чтобы справиться с различными степенями флуктуаций сигнала, можно правильно выбрать концентрацию легирования красителя.Например, за счет снижения концентрации легирования устройство может выдерживать большие шумы, что приводит к более высокой устойчивости к возмущениям в выключенном состоянии.

Рисунок 3

Восстановление логического уровня.

Красная линия - это предварительно модулированный базовый сигнал, а черная линия - выходной сигнал после логического восстановления.

Логический вентиль

Здесь мы демонстрируем возможность использования транзистора для выполнения основных логических операций. Три основных режима работы - ИЛИ, И, НЕ могут быть достигнуты путем правильной настройки интенсивности сигналов базы и коллектора.Базовый сигнал теперь разделен на два идентичных лазерных луча для логической операции (здесь мы называем эти два сигнала A и B).

Для логического элемента ИЛИ пороговая мощность устройства должна быть меньше мощности A или B, в то время как для логического элемента И пороговая мощность должна регулироваться между мощностью A (или B) и A + B. Что касается затвора НЕ (т. Е. Преобразователя), противоположное поведение передачи можно получить, повернув анализатор за транзистором на 90 градусов.На рисунке 4 показан временной и пространственный выходной отклик логических операций. Эти операции осуществляются транзистором TNLC с 0,76 мас.% D27. При работе затвора ИЛИ устройство работает при мощности коллектора, которая немного ниже, чем у P b , чтобы устройство оставалось выключенным, а мощность как A, так и B составляет ~ 300 мВт, таким образом, транзистор может быть включен. включен для каждого входного сигнала. В операции логического элемента И сигналы A и B падают с меньшей мощностью 75 мВт, так что транзистор будет включен только при наличии двух входных сигналов накачки.Также успешно продемонстрирован вентиль НЕ. При мощности A, установленной на уровне ~ 300 мВт, транзистор находится в выключенном состоянии, как только базовый сигнал включен.

Рисунок 4

Операции логического элемента (ИЛИ, И, НЕ).

Верхние части представляют собой пространственные характеристики логических вентилей. Средний луч - это сигнал эмиттера, а луч, расположенный с обеих сторон, представляет собой вход сигналов A и B. На нижних рисунках показаны характеристики во временной области, когда транзистор работает в различных логических режимах.Черные линии - это сигналы излучателя, а другие - базовые сигналы.

Работа этих полностью оптических диодов, транзисторов и логических вентилей никоим образом не оптимизирована. Есть еще много факторов, которые можно изменить для улучшения, например, время отклика и энергоэффективность. Например, пороговая мощность этих операций устройства может быть настроена с различными концентрациями красителя. Можно также использовать красители с более высоким дихроичным отношением 25 и использовать другие нелинейные механизмы 16,17,26 для получения более быстрого отклика и более низкой пороговой мощности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *