Прибор для проверки мощных полевых транзисторов мосфет: Прибор для проверки мощных IGBT и MOSFET транзисторов

Проверка IGBT и MOSFET транзисторов — Меандр — занимательная электроника

Порядок проверки IGBT и MOSFET такой.

Шаг 1. Необходимо убедится в отсутствии коротких замыканий между затвором и эмиттером IGBT (затвором и истоком MOSFET), прозвонив сопротивления между соответствующими выводами в обоих направлениях.

Шаг 2. Необходимо убедится в отсутствии коротких замыканий между коллектором и эмиттером IGBT (истоком и стоком MOSFET), прозвонив сопротивления между соответствующими выводами в обоих направлениях. Перед этим необходимо перемычкой закоротить выводы затвора и эмиттера транзистора. Но лучше будет не закорачивать затвор и эмиттер транзистора, а просто зарядить входную емкость затвор-эмиттер отрицательным напряжением. Для этого кратковременно и одновременно прикасаемся щупом «СОМ» мультиметра к затвору, а щупом «V/Ω/f» к эмиттеру.

Некоторые IGBT транзисторы, как и MOSFET, имеют встроенный встречно-параллельный диод, подключенный катодом к коллектору транзистора, а анодом к эмиттеру (см. рисунок). Если транзистор имеет такой диод, то последний должен соответствующим образом прозвониться между эмиттером и коллектором транзистора.

Шаг 3. Теперь убедимся в функциональности транзистора. Для этого необходимо зарядить входную емкость затвор-эмиттер положительным напряжением. Для этого кратковременно и одновременно прикасаемся щупом «V/Ω/f» мультиметра к затвору, а щупом «СОМ» к эмиттеру. После этого проверяем состояние перехода коллектор-эмиттер транзистора, подключив щуп «V/Ω/f» мультиметра к коллектору, а щуп «СОМ» к эмиттеру. На переходе коллектор-эмиттер должно падать небольшое напряжение величиной 0,5—1,5 В.

Меньшее значение напряжения соответствует низковольтным транзисторам, а большее высоковольтным.

Величина падения напряжения должна быть стабильной, по крайней мере, в течение нескольких секунд, что говорит об отсутствии утечки входной емкости транзистора.

Иногда напряжения мультиметра может не хватить для того чтобы полностью открыть IGBT транзистор (характерно для высоковольтных IGBT). В этом случае входную емкость транзистора можно зарядить от источника постоянного напряжения величиной 9—15 В. Зарядку лучше производить через резистор величиной 1—2 кОм.

Как проверить транзистор mosfet – АвтоТоп

Для проверки исправности полевого транзистора можно воспользоваться любым цифровым мультиметром с функцией «прозвонки» диодов. Данная функция работает таким образом, что позволяет измерить прямое падение напряжения на p-n-переходе, которое и будет отображено на дисплее мультиметра в ходе тестирования.

В процессе данной проверки мультиметр способен пропустить через проверяемую цепь ток в пределах нескольких миллиампер, и если падение напряжения окажется при этом слишком малым, то в случае наличия у прибора функции звукового оповещения, он запищит. А поскольку в любом полевом транзисторе присутствуют p-n-переходы, то можно рассчитывать на вполне адекватный результат.

Прежде чем проверять полевой транзистор на исправность, замкните на секунду фольгой все его выводы чтобы снять статический заряд, чтобы разрядить все его переходные емкости, включая емкость затвор-исток.

Проверка встроенного обратного диода

Практически в любом современном полевом транзисторе, за исключением специальных их типов, параллельно цепи сток-исток включен внутренний «защитный» диод.

Наличие этого диода внутри полевика обусловлено особенностями технологии производства мощных транзисторов. Иногда он мешает, считается паразитным, однако в большинстве полевых транзисторов без него, как части цельной структуры электронного компонента, не обойтись. Следовательно, в исправном полевом транзисторе данный диод тоже должен быть исправным. В n-канальном полевом транзисторе данный диод включен катодом к стоку, анодом — к истоку, а в p-канальном — анодом к стоку, катодом — к истоку.

Включите мультиметр в режим «прозвонки» диодов. Если полевой транзистор является n-канальным, то красный щуп мультиметра приложите к его истоку (source), а черный — к стоку (drain).

Обычно сток находится посередине и соединен с проводящей подложкой транзистора, а истоком является правый вывод (уточните это в datasheet). В случае если внутренний диод исправен, на дисплее мультиметра отобразится прямое падение напряжения на нем – в районе 0,4-0,7 вольт. Если теперь положение щупов изменить на противоположное, то прибор покажет бесконечность. Если все так, значит внутренний диод исправен.

Проверка цепи сток-исток

Полевой транзистор управляется электрическим полем затвора. И если емкость затвор-исток зарядить, то проводимость в направлении сток-исток увеличится.

Итак, если транзистор является n-канальным, приложите черный щуп к затвору (gate), а красный — к истоку, и через секунду измените расположение щупов на противоположное — красный к затвору, а черный — к истоку. Так мы сначала наверняка разрядили затвор, а после — зарядили его. Затвор обычно слева, а исток — справа (см. datasheet).

Теперь красный щуп переместите с затвора — на сток, а черный пусть останется на истоке. Если транзистор исправен, то как только вы переместите красный щуп с затвора на сток, мультиметр покажет что на стоке есть падение напряжения (не бесконечное, но может увеличиваться) — это значит, что транзистор перешел в проводящее состояние.

Теперь красный щуп на исток, а черный — на затвор (разряжаем затвор противоположной полярностью), после чего снова красный щуп на сток, а черный — на исток. Прибор должен показать бесконечность — транзистор закрылся. Для p-канального полевого транзистора щупы просто меняются местами.

Если прибор запищит

Если на этапе проверки сток-исток прибор запищит, это может быть вполне нормальным, ведь у современных полевых транзисторов сопротивление сток-исток в открытом состоянии бывает очень маленьким. Главное — чтобы не было звона затвор-исток и сток-исток, особенно в тот момент когда затвор заряжен противоположной полярностью. Как вариант, можно соединить затвор с истоком и в таком положении прозвонить сток-исток (для n-канального красный на сток, черный — на исток), прибор должен показать бесконечность.

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Вступайте в наши группы в социальных сетях:

Для проверки полевого транзистора понадобятся мультиметр и источник питания 9-12 вольт. Проверяться будет полевой транзистор n-типа IRF740. Расположение выводов и иные параметры на IRF740 можно посмотреть в datasheet.

Для проверки транзисторов черный щуп подключается к гнезду “COM” мультиметра, красный – к гнезду “V/ Ω”. Мультиметр включается в режим проверки полупроводников.

Пинцетом или перемычкой замкните кратковременно исток и затвор транзистора. Потенциалы затвора и истока уравняются, транзистор будет гарантированно закрыт.

Присоедините красный щуп мультиметра к истоку, черный к стоку. Если транзистор исправен, мультиметр покажет падение напряжения на паразитном диоде (этот диод образуется при изготовлении транзистора).

Присоедините красный щуп мультиметра к стоку, черный к истоку. Если транзистор исправен, мультиметр покажет отсутствие замыкания и утечки.

Соедините минус источника питания (9-12 вольт) с истоком транзистора, на секунду присоедините плюс источника питания к затвору транзистора, при этом исправный транзистор откроется.

Далее присоедините красный щуп мультиметра к истоку, черный к стоку. Если транзистор исправен, мультиметр покажет короткое замыкание.

Присоедините красный щуп мультиметра к стоку, черный к истоку. Если транзистор исправен, мультиметр покажет короткое замыкание.

Для проверки полевых транзисторов n-типа можно собрать несложную схему. При нажатии кнопки лампочка загорается, при отпускании тухнет.

В этом видео показано как проверить полевой транзистор мультиметром:

В радиоэлектронике и электротехнике транзисторы относятся к одним из основных элементов, без которых не будет работать ни одна схема. Среди них, наиболее широкое распространение получили полевые транзисторы, управляемые электрическим полем. Само электрическое поле возникает под действием напряжения, следовательно, каждый полевой транзистор является полупроводниковым прибором, управляемым напряжением. Наиболее часто применяются элементы с изолированным затвором. В процессе эксплуатации радиоэлектронных устройств и оборудования довольно часто возникает необходимость проверить полевой транзистор мультиметром, не нарушая общей схемы и не выпаивая его. Кроме того, на результаты проверки оказывает влияние модификация этих устройств, которые технологически разделяются на п- или р-канальные.

Устройство и принцип действия полевых транзисторов

Полевые транзисторы относятся к категории полупроводниковых приборов. Их усиливающие свойства создаются потоком основных носителей, который протекает через проводящий канал и управляется электрическим полем. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, для своей работы используют основные носители заряда, расположенные в полупроводнике. По своим конструктивным особенностям и технологии производства полевые транзисторы разделяются на две группы: элементы с управляющим р-п-переходом и устройства с изолированным затвором.

К первому варианту относятся элементы, затвор которых отделяется от канала р-п-переходом, смещенным в обратном направлении. Носители заряда входят в канал через электрод, называемый истоком. Выходной электрод, через который носители заряда уходят, называется стоком. Третий электрод – затвор выполняет функцию регулировки поперечного сечения канала.

Когда к истоку подключается отрицательное, а к стоку положительное напряжение, в самом канале появляется электрический ток. Он создается за счет движения от истока к стоку основных носителей заряда, то есть электронов. Еще одной характерной особенностью полевых транзисторов является движение электронов вдоль всего электронно-дырочного перехода.

Между затвором и каналом создается электрическое поле, способствующее изменению плотности носителей заряда в канале. То есть, изменяется величина протекающего тока. Поскольку управление происходит с помощью обратно смещенного р-п-перехода, сопротивление между каналом и управляющим электродом будет велико, а мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, очень мала. За счет этого обеспечивается усиление электромагнитных колебаний не только по току и напряжению, но и по мощности.

Существуют полевые транзисторы, у которых затвор отделяется от канала слоем диэлектрика. В состав элемента с изолированным затвором входит подложка – полупроводниковая пластина, имеющая относительно высокое удельное сопротивление. В свою очередь, она состоит из двух областей с противоположными типами электропроводности. На каждую из них нанесен металлический электрод – исток и сток. Поверхность между ними покрывает тонкий слой диэлектрика. Таким образом, в полученную структуру входят металл, диэлектрик и полупроводник. Данное свойство позволяет проверить полевой транзистор мультиметром не выпаивая. Поэтому данный вид транзисторов сокращенно называют МДП. Они различаются наличием индуцированных или встроенных каналов.

Проверка мультиметром

Перед началом проверки на исправность полевого транзистора мультиметром, рекомендуется принять определенные меры безопасности, с целью предотвращения выхода транзистора из строя. Полевые транзисторы обладают высокой чувствительностью к статическому электричеству, поэтому перед их проверкой необходимо организовать заземление. Для снятия с себя накопленных статических зарядов, следует воспользоваться антистатическим заземляющим браслетом, надеваемым на руку. В случае отсутствия такого браслета можно просто коснуться рукой батареи отопления или других заземленных предметов.

Хранение полевых транзисторов, особенно с малой мощностью, должно осуществляться с соблюдением определенных правил. Одно из них заключается в том, что выводы транзисторов в этот период, находятся в замкнутом состоянии между собой. Конфигурация цоколей, то есть расположение выводов в различных моделях транзисторов может отличаться. Однако их маркировка остается неизменной, в соответствии с общепринятыми стандартами. Затвор по-английски означает Gate, сток – Drain, исток – Source, а для маркировки используются соответствующие буквы G, D и S. Если маркировка отсутствует необходимо воспользоваться специальным справочником или официальным документом от производителя электронных компонентов.

Проверку можно выполнить с помощью стрелочного омметра, но более удобной и эффективной будет прозвонка цифровым мультиметром, настроенным на тестирование p-n-переходов. Полученное значение сопротивления, отображаемое на дисплее, на пределе х100 численно будет соответствовать напряжению на р-п-переходе в милливольтах. После подготовки можно переходить к непосредственной проверке. Прежде всего нужно знать, что исправный транзистор обладает бесконечным сопротивлением между всеми его выводами. Прибор должен показывать такое сопротивление независимо от полярности щупов, то есть прикладываемого напряжения.

Современные мощные полевые транзисторы имеют встроенный диод, расположенный между стоком и истоком. В результате, при решении задачи, как прозвонить полевой транзистор мультиметром, канал сток-исток, ведет себя аналогично обычному диоду. Отрицательным щупом черного цвета необходимо коснуться подложки – стоку D, а положительным красным щупом – вывода истока S. Мультиметр покажет наличие прямого падения напряжения на внутреннем диоде до 500-800 милливольт. В обратном смещении, когда транзистор закрыт, прибор будет показывать бесконечно высокое сопротивление.

Далее, черный щуп остается на месте, а красный щуп касается вывода затвора G и вновь возвращается к выводу истока S. В этом случае мультиметр покажет значение, близкое к нулю, независимо от полярности приложенного напряжения. Транзистор откроется в результате прикосновения. Некоторые цифровые устройства могут показывать не нулевое значение, а 150-170 милливольт.

Если после этого, не отпуская красного щупа, коснуться черным щупом вывода затвора G, а затем возвратить его к выводу подложки стока D, то в этом случае произойдет закрытие транзистора, и мультиметр вновь отобразит падение напряжения на диоде. Такие показания характерны для большинства п-канальных устройств, используемых в видеокартах и материнских платах. Проверка р-канальных транзисторов осуществляется таким же образом, только со сменой полярности щупов мультиметра.

Конструктивно-технологические особенности MOSFET транзисторов – Компоненты и технологии

Рассмотрены различные структуры и конструктивно-технологические особенности металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET).

Мощные металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) отличаются от биполярных транзисторов наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями, большими токами и мощностью, линейными характеристиками и высокими рабочими температурами. Обычный MOSFET представляет планарную структуру с длинным каналом, которую получают фотолитографическими методами, ограничивающими минимальную длину канала по крайней мере до 5 мкм. Вследствие увеличивающейся степени интеграции и обусловленного этим роста плотности элементов на кристалле освоен выпуск MOSFET с меньшими шириной линий и глубиной диффузии. Создание MOSFET с коротким каналом стало возможным благодаря, в том числе, и внедрению этой прогрессивной технологии [1].

Планарная конструкция, изготовленная методами фотолитографии, обусловила большие размеры приборов для обеспечения тока, необходимого в силовых устройствах. Одновременно это вызывало непропорциональное увеличение паразитных емкостей, что уменьшало произведение коэффициента усиления на ширину полосы MOSFET-транзистора и, следовательно, его быстродействие. Несмотря на большие размеры, эти приборы имели значительное сопротивление канала и чрезмерные потери, которые еще усугублялись плохим отводом тепла. Высокое сопротивление канала приводило к снижению как крутизны, так и коэффициента усиления. Недостатком этих приборов была высокая стоимость, обусловленная незначительным выходом годных кристаллов и очень большими трудностями, связанными с монтажом кристаллов, которые к тому же осложнялись их низкой надежностью.

Рассматривая этот перечень проблем, нетрудно понять, что при всех возможных усовершенствованиях и модификациях планарный MOSFET-транзистор, изготавливаемый методами фотолитографии, никогда не мог стать жизнеспособным мощным транзистором. Именно поэтому ему на смену пришел вертикальный MOSFET-транзистор с коротким каналом. Технологиями, не требующими применения масок с жесткими допусками, являются двойная диффузия (планарный ДМОП-транзистор), а также технология V-образных МОП-структур (вертикальный VМОП-транзистор) [2].

Так как крутизна МОП-транзистора обратно пропорциональна, а сопротивление открытого прибора прямо пропорционально длине канала, значение короткого канала очевидно. Более того, короткий канал позволяет сократить размеры транзистора, а значит, и паразитные емкости. Метод двойной диффузии сейчас является одним из основных в производстве мощных МОП-транзисторов с коротким каналом. В ДМОП-транзисторах осуществляется следующая последовательность диффузионных операций: сначала диффузией акцепторной примеси формируют подложку прибора, а затем диффузией донорной примеси с высокой концентрацией (n⁺) создают исток. Короткий канал получается при хорошей контролируемости операции второй диффузии (n⁺) (рис. 1а).

Рис. 1. Структуры а) MOSFET с коротким каналом, полученным двойной диффузией; б) вертикального ДМОП-транзистора

Там, где высоковольтная горизонтальная ДМОП-структура становится слишком громоздкой, вертикальная структура сохраняет размеры кристалла такими, что затраты на ее изготовление равноценны созданию биполярного транзистора с аналогичными номинальными параметрами. В настоящее время все высоковольтные ДМОП-транзисторы имеют вертикальную структуру, в которой исток и затвор расположены на верхней стороне кристалла, а сток — на нижней (рис. 1б).

При использовании вертикальной структуры, ограничивающей тем или иным способом поле, ДМОП-транзистор способен выдерживать чрезвычайно высокие напряжения. С точки зрения механизма работы вертикальная и планарная структуры мало отличаются друг от друга. Однако кроме высокого пробивного напряжения вертикальная структура имеет большую экономическую эффективность вследствие небольших размеров кристалла.

Другой разновидностью мощного MOSFET с коротким каналом является V-образный МОП-транзистор в виде вертикальной структуры (рис. 2).

Рис. 2. Структура вертикального VМОП-транзистора с металлическим затвором

При его внимательном изучении можно обнаружить много общего с эпитаксиальным биполярным транзистором, изготовленным двойной диффузией. Так, n-канальный МОП-транзистор, как и биполярный, имеет n⁺-подложку и n-эпитаксиальный слой, в котором формируют диффузией сначала область р^–, а затем p⁺. Технологическое сходство заканчивается на формировании этой n⁺ области. V-образная канавка проходит через эти две области, делит их пополам и оканчивается в эпитаксиальном п^–-слое. После создания слоев окисла и металла получается мощный МОП-транзистор, который очень напоминает рассмотренный выше ДМОП-транзистор. Принцип работы этого прибора совершенно аналогичен ДМОП-транзистору, причем положительное напряжение на затворе вызывает инверсию, в результате чего между истоком и стоком образуется непрерывный низкоомный n-канал. У каждой V-образной канавки создается два канала, и такое удвоение числа каналов делает VМОП-транзистор одним из наиболее экономически выгодных мощных MOSFET

В варианте с поликремниевым затвором (рис. 3а) рабочий ток протекает практически вертикально, а плотность компоновки конструктивных элементов в структуре прибора — наивысшая. В конструкции n-канального прибора (рис. 3б) поликремниевый затвор вставлен в слой SiO₂. Такая структура положена в основу большинства ВЧ и СВЧ генераторных приборов, ряда мощных переключающих транзисторов с U_{сп max} ≤ 400 B, производимых фирмами Siliconix и Intersil (США).

Рис. 3. Конструкции мощных MOSFET с вертикальным n-каналом: а) транзистор с поликремниевым затвором; б) n-канальный транзистор с двойной диффузией

В конструкциях мощных MOSFET — ДMOП, VДМОП, SIPMOS, HEXFET — рабочий ток на отрезке пути от истока до высокоомной области дрейфа протекает горизонтально, а через область дрейфа к стоку — вначале горизонтально, а затем вертикально. Такие конструкции повсеместно используются в мощных MOSFET-транзисторах с U_{сп max} > 400 B и являются базовыми для всех приборов, разработанных фирмами International Rectifier, Motorola, Siemens, Hewlett-Packard.

В приборах SIPMOS элементарные ячейки выполнены в форме квадрата, а в транзисторах HEXFET — в форме шестиугольника. Количество элементарных ячеек в структуре транзистора в зависимости от его рабочего тока колеблется от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч [2].

Недостатком конструкции, приведенной на рис. 3, являются сопутствующие паразитные элементы. Высоколегированная n⁺-область истока, р-канальная область и n⁺ n^—-стоковая область полезной MOSFET-структуры выполняют одновременно функции эмиттера, базы и коллектора сопутствующей паразитной биполярной структуры. Чем меньше толщина и уровень легирования р-канальной области и больше ее протяженность, тем сильнее будет проявляться паразитное действие биполярной структуры. И, наоборот, при меньшей протяженности и больших толщинах и уровнях легирования р-канальной области вредное влияние биполярной структуры будет более слабым. Отсюда следует, что в более высококачественных MOSFET-структурах (то есть более высокочастотных, быстродействующих, сильноточных и с большей крутизной) потенциальное влияние сопутствующей биполярной структуры выше, чем в менее качественных. И поэтому при конструировании изыскивают эффективные меры для нейтрализации паразитного действия биполярной структуры.

Под отрицательными эффектами, связанными с наличием сопутствующей биполярной структуры, подразумевают, прежде всего, возможность вторичного пробоя биполярной структуры и последующего катастрофического выхода из строя самого MOSFET-транзистора. Основным приемом для подавления этого эффекта является соединение эмиттера и базы паразитного транзистора металлическим электродом истока на планарной поверхности MOSFET-транзистора.

Данное конструктивное решение будет давать 100%-ный эффект в том случае, когда омическое сопротивление p-канальной области (области базы биполярной структуры r_б‘) близко к нулю. Однако при конечном сопротивлении r_б‘ паразитный биполярный эффект может все же проявиться и, в первую очередь, в наиболее удаленных от истоковой перемычки участках р-канальной области. При больших r_б‘ для подавления нежелательных эффектов, обусловленных присутствием биполярной структуры, целесообразно предусмотреть другие меры [3].

Технологические особенности мощных MOSFET характеризуются схемой изготовления n-канальных транзисторов HEXFET, разработанной фирмой International Rectifier (США). На рис. 4 показана часть центральной зоны кристалла и его периферия, на которой изображены варианты краевой защиты.

Рис. 4. Последовательность технологического процесса изготовления мощного ДМОП-транзистора

Схема технологического процесса включает следующую последовательность операций:

• Выращивание толстого защитного слоя изолятора (SiO₂ или SiO₂ + Si₃N₄) на планарной поверхности n^— n⁺-подложки; формирование окон в слое изолятора; создание в обнаженных участках n^—-слоя подложки высоколегированных p⁺-областей диффузией или ионной имплантацией; окисление и последующее формирование фотолитографией островков изолятора над p⁺-областями; подлегирование высокоомного n^—-слоя подложки донорной примесью в промежутках между высоколегированными p⁺-областями (рис. 4а).
• Выращивание изолятора затвора на планарной поверхности подложки в центральной зоне кристалла и нанесение поверх изолятора слоя поликремния толщиной ~0,5 мкм; легирование поликремния донорной примесью высокой концентрации; формирование затвора в центральной зоне кристалла и полевых электродов на его периферии; удаление из прилегающих к высоколегированным р⁺-областям участков изолятора затвора в центральной зоне структуры (рис. 4б).
• Создание вокруг областей р⁺ в центральной зоне кристалла р-канальных областей и высоколегированных n⁺-областей истока ионной имплантации сначала акцепторной, а затем донорной примеси в открытые участки подложки (рис. 4в).
• Нанесение на всю планарную поверхность подложки слоя SiO₂, легированного фосфором; вытравливание в межслойном изоляторе методом фотолитографии контактных окон над р⁺ и n^–-истоковыми областями отдельных транзисторных ячеек и одновременное формирование зазоров в межслойном изоляторе на периферии кристалла (рис. 4г).
• Напыление алюминия и формирование из него фотолитографией электрода истока и периферийного противоканального металлического электрода на планарной поверхности структуры; формирование многослойного (хром, никель, золото или титан, никель серебро) омического контакта стока на непланарной стороне подгонке (рис. 4д).

Для снижения R_{си отк.} используются подлегирование приповерхностной зоны высокоомного n^—-эпитаксиального слоя подложки имплантацией ионов фосфора с энергией 120 кэВ и дозой 10¹¹Σ10¹⁴ см^–2 [4]. Краевая защита приборов HEXFET включает в себя периферийную р⁺-область центральной зоны структуры, одно и более делительных колец над толстым защитным слоем изолятора на периферии кристалла, толстый слой ФСС (фосфорно-силикатное стекло) поверх защитного слоя изолятора, два металлических и два поликремниевых электрода. Металлические электроды непосредственно соединены с лежащим под ними поликремниевыми электродами и, кроме того, внутренний металлический электрод, выполненный как продолжение электрода истока, соединен с р⁺— и n⁺-областями истока периферийных транзисторных ячеек, а внешний — с высокоомным эпитаксиальным n^—-слоем подложки.

Все элементы конструкции MOSFET в совокупности обеспечивают высокие пробивные напряжения стока и малые утечки прибора в закрытом состоянии. Зазоры в верхнем слое ФСС предотвращают его поляризацию, а внешний металлический и поликремниевый электроды исключают возможность образования инверсионного канала на периферии кристалла. Внутренний поликремниевый электрод по своим функциям аналогичен расширенному базовому электроду в биполярных транзисторах.

Особенности конструкции корпусов

Для MOSFET применяют, как правило, миникорпуса для поверхностного монтажа: SОТ-23, SОТ-89 и SОТ-143, а также SMD-0,5, SMD-1, SMD-2 и др. Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеиваемой прибором, и реального размера полупроводникового кристалла. SОТ-23 применяют для корпусирования кристаллов площадью до 1,0 мм² и рассеиваемой мощностью до 500 мВт, SОТ-89 рассчитан на кристаллы площадью 3,0 мм² и мощность до 1 Вт, а корпуса типа SMD — на мощность до 150 Вт. Транзисторные корпуса имеют очень простую конструкцию с тремя выводами: у SОТ-23 выводы поочередно отходят от каждой из сторон корпуса, в то время как у SОТ-89 они расположены по одну сторону корпуса, а центральный вывод имеет увеличенный размер для лучшего отвода тепла (рис. 5). Корпусa типа SOT герметизируются методом литьевого прессования с применением прессовочного материала Dexter (Германия), а SMD — шовной роликовой сваркой.

Рис. 5. Конструкции транзисторных корпусов: а) SОТ-23; б) SОТ-89

Корпуса SОТ-23 и SОТ-89 относятся к XIV группе, к которым согласно ГОСТ 20.39.405-84 предъявляются жесткие требования по паяемости:

1. Конструкция изделий должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужение выводов горячим способом без применения теплоотвода и соединение при температуре групповой пайки не выше 265 °С не более 4 с.
2. Выводы и контактные площадки изделий должны иметь гарантированную паяемость с использованием спирто-канифольных неактивированных и слабоактивированных флюсов (не более 25% канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с момента изготовления.
3. Изделия должны выдерживать трехкратный нагрев по режиму: температура не выше 150 °С, длительность однократного воздействия не более 10 мин.
4. Конструкция изделий должна обеспечивать применение групповых методов пайки: оплавление припойной пасты в режиме: нагрев до температуры 190 °С не более 30 с; последующий нагрев до температуры не выше 230 °С не более 15 с; нагрев групповым паяльником при температуре пайки не выше 265 °С не более 4 с.

Для обеспечения максимальной мощности в качестве материала выводной рамки используют железо-никелевый сплав 42Н и медный сплав БрХСр толщиной кристаллодержателя 0,1 мм. На поверхности этой рамки наносят полосу серебра шириной 9 мм и толщиной 5 мкм. Так как сплав БрХСр обладает высоким уровнем ТКЛР (18–10^–6 °С^–1, что в 6 раз выше, чем у кремния), то в процессе выполнения напайки в кремниевом кристалле возникают механические напряжения и деформации. Для снижения внутренних напряжений необходимо правильно выбрать припой, оптимизировать технологические режимы монтажа, позволяющие уменьшить градиент температур, действующих на кристалл. На непланарную поверхность кристаллов наносят систему металлизации: Ti-Au, V-Au толщиной 1,0–1,75 мкм — для монтажа на эвтектику; Ti-NiV-Ag-Sn-Pb-Sn толщиной 5,0–12,0 мкм — для монтажа кристаллов на припой.

Способы монтажа кристаллов в корпус

Выбор способа монтажа кристалла в корпус прибора зависит от конструктивных особенностей кристалла, электрических и тепловых характеристик его и корпуса. Он должен обеспечивать высокую прочность соединения при термоциклировании и механических нагрузках, низкое электрическое и тепловое сопротивление, минимальные механические воздействия на кристалл и отсутствие загрязнений.

Монтаж кристаллов мощных MOSFET выполняют методами пайки: контактно-реактивной, эвтектическими сплавами, легкоплавкими припоями [5]. Эвтектические припои AuSi и AuGe, имеющие температуру плавления соответственно 370 и 356 °С, получили наибольшее распространение при монтаже кристаллов в корпуса или на держатели. Пайка этими припоями подразделяется на контактно-реактивную и эвтектическими сплавами. При контактно-реактивной пайке между соединяемыми металлами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения. Скорость контактного плавления полупроводника и золота зависит от температуры и прикладываемого усилия. Изменяя температуру, управляют контактным плавлением: останавливают процесс пайки в нужный момент или возобновляют его.

Образующийся эвтектический сплав Au–Si имеет высокую активность, хорошо смачивает поверхности и при кристаллизации дает прочное и сплошное соединение. Малое содержание кремния (до 6%) в этом сплаве исключает опасность проплавления кристалла, так как плавится в основном золото. После перехода всего золотого покрытия в зоне контакта в жидкую фазу процесс плавления прекращается. В установках контактно-реактивной пайки столик, на котором подогреваются корпуса, обычно нагревают до температуры 410±10 °С. Оптимальное усилие, прикладываемое к инструменту, составляет 0,5–0,7 Н. Увеличение усилия приводит к образованию сколов и трещин в кристаллах. При контактно-реактивной пайке (рис. 6) вакуумным пинцетом 1 полупроводниковый кристалл 2 подается на золоченую контактную площадку корпуса 3 и удерживается в течение времени пайки на нагревателе 4. Для создания физического контакта соединяемых поверхностей через вакуумный пинцет кристаллу передают ультразвуковые колебания, и он начинает колебаться в горизонтальной плоскости, притираясь к золотому покрытию контактной площадки корпуса. Пайку выполняют в среде инертного газа, подогревая корпус нагревателем.

Рис. 6. Контактно-реактивная пайка кристаллов: а) захват кристалла, б) присоединение кристалла к корпусу

Контактно-реактивная пайка существенно изменяет структуру и свойства материалов в месте их соединения. Так, в эвтектическом сплаве AuSi под действием нагрева может произойти его ликвация, что снижает прочность, теплопередачу и электропроводность паяного соединения. Для устранения этого явления и активации соединяемых поверхностей, заключающейся в разрушении оксидных пленок, контактно-реактивную пайку выполняют с вибрационным воздействием (амплитудой 0,5–0,8 мм) на кристалл. В результате кристалл получает возвратнопоступательное движение в горизонтальной плоскости и притирается к контактной площадке корпуса, происходит контактное плавление кремния и золота, жидкий сплав перемешивается, и процесс соединения ускоряется. Жидкая фаза способствует диспергированию оксидных пленок и их удалению из зоны контакта. Контактно-реактивной пайкой получают надежные соединения кристаллов с золочеными контактными площадками при толщине покрытия не менее 6 мкм. При нарушениях режима пайки в кристаллах появляются трещины и сколы.

Эвтектический сплав, в отличие от контактно-реактивной пайки, образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса. Золочение контактирующих поверхностей каких-либо ощутимых результатов не дает. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере (осушенном и очищенном азоте) до температуры, несколько превышающей температуру плавления эвтектического сплава. В качестве эвтектических сплавов используют AuGe или AuSi, которые содержат (по массе): 12% Ge и 6% Si c температурами плавления эвтектик соответственно 356 и 370 °С. Использование для пайки сплава AuSi дает хорошие результаты, но сложность приготовления и возможность расслоения ограничивает его применение. Поэтому чаще применяют сплав AuGe типа ЗлГр12 при режимах пайки: температура столика 410±10 °С; усилие на инструменте определяется площадью кристалла и составляет 0,5–1,5 Н; амплитуда колебаний инструмента 0,8 мм; время пайки 1–2 с.

По сравнению с контактно-реактивной пайка эвтектическими сплавами обладает рядом достоинств. Так как эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидкотекучесть и способность смачивания, а также незначительное время нагрева до температуры пайки, в паяном соединении не создаются большие остаточные напряжения, образующиеся вследствие разницы ТКЛР соединяемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатостей и неровностей.

Возможными дефектами являются плохая смачиваемость припоем поверхности корпуса и кристалла при недостаточно высокой температуре пайки. Это является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком резким подъемом температуры пайки.

Монтаж кристаллов низкотемпературной пайкой имеет ограниченное применение вследствие сравнительно невысокой температуры плавления мягких припоев. Так как эвтектический припой 80Au20Sn плавится при 280 °С, а эвтектический припой 63SnPb — при 183 °С, с их использованием монтаж кристаллов может выполняться только при изготовлении полупроводниковых приборов, работающих при максимальной температуре до 80 °С. Достоинством этого метода является легкость демонтажа кристаллов при необходимости, для чего нагревают корпус до температуры плавления припоя и снимают кристалл с контактной площадки.

Низкотемпературный припой обычно используют в виде таблеток или дисков, а также наносят трафаретной печатью. Кремниевые полупроводниковые приборы должны работать при максимальной температуре окружающей среды 125 °С. При сборке их последовательно трижды нагревают: при монтаже кристаллов, присоединении электродных выводов и герметизации. Температура плавления припоя, используемого на предыдущей операции, должна быть минимум на 50 °С выше температуры плавления припоя, используемого на последующей операции. Поэтому минимальная температура нагрева при первой термической операции должна быть несколько больше 300 °С.

Из припоев на основе олова широко используются припои на основе эвтектической системы олово-свинец, которые представляют собой механическую смесь кристаллов ?-твердого раствора олова в свинце и ?-твердого раствора свинца в олове. С повышением доли олова в свинце до 60–70% прочность, твердость, модуль упругости припоев существенно возрастают. Припои с повышенным содержанием олова имеют также более высокие значения теплопроводности и электропроводности [5], составляющие примерно 10% от соответствующих параметров для меди.

Пластичность припоев с массовой долей олова 60% и более существенно уменьшается при низких температурах. Поэтому такие припои обычно не применяют для пайки изделий, работающих при температурах ниже –60 °С. Особенно сильно могут снижаться механические свойства припоя 60Sn40Рb при пайке деталей с золотыми покрытиями. Это происходит, если массовая доля золота в припое превышает 4,0–5,0% .

Введение 6% золота в припой 60Sn40Рb снижает пластичность припоя на 70–80%. Таким образом, массовая доля золота в эвтектическом оловянно-свинцовом припое около 4–6% является критической. Если доля золота в паяном шве после пайки меньше 4,0%, то опасность разупрочнения соединений сохраняется при наличии нерастворенного золотого покрытия [6]. Разупрочнение в этом случае происходит из-за взаимной твердофазной диффузии компонентов паяного шва при эксплуатации [5]. Кроме того, следует учитывать, что коэффициент теплопроводности интерметаллида составляет 11,5 Вт/(м·К) при коэффициенте теплопроводности золота 314 Вт/(м·К). Это может вести к росту теплового сопротивления соединения. Для получения надежных паяных соединений деталей с золотыми покрытиями оловянно-свинцовым припоем необходимо соблюдать следующие условия. Если толщина золотого покрытия не превышает 1,0–1,5 мкм, то в процессе пайки такое покрытие практически полностью растворяется. Толщина паяного шва должна быть такой, чтобы массовая доля золота в нем не превышала 2,5–4,0%.

При температурах эксплуатации приборов до 70 °С медные и никелевые покрытия обладают достаточно хорошей совместимостью с эвтектическим оловянно-свинцовым припоем, то есть растущие при таких относительно невысоких температурах интерметаллидные прослойки (Ni₃Sn₄‘ Cu₆Sn₅, Cu₃Sn) на границе между припоем и никелевым (или медным) покрытием не создают условий для разупрочнения паяных согласованных соединений при эксплуатации. Однако для таких сочетаний припой-покрытие в несогласованных по температурному коэффициенту линейного расширения соединениях, которые длительное время работают при повышенных температурах (Т>125 °С), необходимо принимать во внимание достаточно активное твердофазное взаимодействие между медью (или никелем) и оловом, ведущее к снижению качества и надежности несогласованных соединений. Одной из причин снижения качества и надежности соединения является рост электрического и теплового сопротивления последнего из-за того, что фазы Cu6Sn5 и Сu₃Sn имеют коэффициенты электропроводности и теплопроводности в 6–7 раз меньше, чем у меди.

При пайке изделий электронной техники находят также применение припои олово-серебро, олово-сурьма. Добавка в оловянный припой серебра улучшает его механические свойства. Прочность оловянно-свинцовых припоев, содержащих сурьму, определяется ее концентрацией. С увеличением доли сурьмы прочность припоев растет, а пластичность несколько снижается. После хранения в течение 20–30 суток и более при комнатной температуре прочность припоев систем оловосвинец, олово-свинец-сурьма снижается на 12–15% и более. Так, прочность соединений, паянных оловянно-свинцовыми припоями с массовой долей олова 60% и сурьмы 0,2–0,8%, снижается на 30% после хранения в течение 120–150 суток.

Находят применение и припои системы олово-висмут. С увеличением доли висмута в олове прочность припоя возрастает, а пластичность снижается при прочих равных условиях. Представляет интерес применение в качестве припоев сплавов тройных систем: 18%Sn, 52%Bi, 30%Pb; 34%Sn, 46%Bi, 20%Pb; 41,58%Sn, 57,4%Bi, 1%Pb, имеющих температуру плавления соответственно 96, 100, 135 °С.

Монтаж кристалла выполняют методом пайки на припой и на эвтектику на автомате вибрационной пайки ЭМ 4085-14М и оптимальных режимах вибраций: амплитуда колебаний инструмента; количество периодов колебаний; форма траектории движения кристалла в процессе монтажа. В автоматическом режиме работы загрузочно-разгрузочное устройство подает рамку на монтажный столик, где осуществляется подогрев до заданной температуры 460–480 °С. Одновременно происходит поиск годного кристалла на растяжке системой технического зрения с помощью координатного привода. Годный кристалл, поданный на позицию подкола, снимается с липкого носителя и помещается на позицию присоединения. Рекомендуемые режимы: давление на инструмент 0,6–0,8 Н, количество периодов колебаний по Х — 1–40, по Y — 1–40; амплитуда колебаний 1–30 в относительных единицах. Количество периодов колебаний инструмента и амплитуда колебаний определяют время присоединения кристалла [7].

Разварку выводов выполняют методом термокомпрессии золотой проволокой диаметром 30 мкм на автомате ЭМ-4060Т. Первая сварка — шариком на контурную площадку кристалла, а вторая сварка — внахлестку на траверсе. Образование шарика производится электроискровым разрядом. Визирная система позволяет оператору вводить поправки в систему управления на положение кристалла и траверс. Автомат сварки в своем составе содержит систему технического зрения для автоматического определения координат присоединения выводов. Видеоконтрольное устройство позволяет оператору визуально контролировать процесс разварки выводов. Основные технологические режимы: температура стола 330–380 °С; давление на инструмент по кристаллу 0,2–0,5 Н, на траверсе 0,6–0,12 Н; время сварки 10–50 мс; прочность проволоки 0,12–0,14 Н. Качество соединений контролируют визуально, а также путем проверки прочности проволочных перемычек на разрыв. Минимально допустимое значение механической прочности проволочной перемычки составляет 0,06 Н. Для корпусов типа SMD разварку выводов выполняют проволокой АОЦПоМ диаметром 150–500 мкм на автомате УЗ микросварки ЭМ-4340. При этом механическая прочность проволочных соединений составляет 1–3 Н.

Таким образом, для обеспечения заданных параметров MOSFET необходимо провести правильный выбор:

• типа корпуса в зависимости от рассеиваемой мощности и назначения прибора;
• способа монтажа кристалла для достижения эффективного отвода тепла и минимальных внутренних напряжений в активной структуре;
• материала проволочных выводов и способа их присоединения для получения высокой надежности межсоединений.

Литература

1. Taraseiskey H. Power Hybrid Circuit Design and Manufacture. N.Y.: Marcel Dekker Inc. 1996.
2. Baliga B. J. Silicon RF Power MOSFETS. N. J.: World Scientific. 2005.
3. Semiconductor Packaging. A Multidisciplinary Approach / Ed. by R. J. Hannemann, A. D. Kraus, M. Pecht. N.Y.: John Willey Inc. 1994.
4. Rose D. I. Packaging Assembly Technology Forecast // Semiconductor International. 1981. N 1.
5. Manko H. H. Solders and Soldering. Materials, Design, Production, and Analysis for Reliable Bonding. N.Y.: McGraw-Hill Comp. 2001.
6. Olsen D. R., Berg H. M. Properties of die Bond Alloys Relating to Thermal Fatigue // Proc. 27th Electronic Components Conf. 1977.
7. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Автоматизированный монтаж кристаллов транзисторов вибрационной пайкой // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 3.

Макромоделирование устройств на мощных MOSFET

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) в настоящее время стали основным типом силовых транзисторов [1–7]. По энергетическим параметрам они незначительно уступают тиристорам и IGBT, но заметно превосходят их по динамическим параметрам. Области применения MOSFET простираются от маломощных инверторов для сотовых телефонов и мобильных компьютеров до мощных промышленных энергетических устройств и систем. В статье описаны средства макромоделирования силовых устройств на мощных MOSFET с помощью новейших реализаций матричной лаборатории MATLAB R2010a,b с обновленными пакетами расширения Simulink и SimPowerSystem [8, 9]. Автор благодарит корпорацию The MathWorks за предоставленные программные продукты и лицензию на них.

Интерфейс пользователя системы MATLAB

Интерфейс пользователя системы MATLAB R2010a с пакетом расширения Simulimk прост и интуитивно понятен. Детально он описан в книгах [8–10]. Из окна системы MATLAB вызывается окно браузера библиотеки основного пакета расширения Simulink (слева на рис. 1), а из него можно открыть окно диаграммы модели моделируемого устройства. Поначалу оно пустое и имеет титульную строку Untitled. В этом окне расположено окно данных о пакете Simulink. Разумеется, есть возможность загрузить в окно диаграммы готовую диаграмму модели из файла и сохранить подготовленную пользователем модель в виде файла с заданным именем.

Рис. 1. Интерфейс MATLAB+Simulink R2010a

Современные силовые устройства строятся на основе ключевых схем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Математическое моделирование даже простых таких схем силовой электроники вызывает особые трудности из-за большого числа сложно определяемых электрофизических параметров ключевых устройств, жесткости описывающих их резко нелинейных дифференциальных уравнений, сложности применяемых вспомогательных схем управления и необходимости учета специфики работы в энергетической области.

В последнее время в число перспективных систем математического моделирования силовых устройств вошла матричная система MATLAB с пакетом визуально-ориентированного блочного имитационного моделирования различных систем и устройств Simulink. Их описание можно найти в [8, 9]. Читателю рекомендуется также ознакомиться с материалами, опубликованными в цикле статей «Школа MATLAB» журнала «Силовая электроника», относящимися к более ранним реализациям MATLAB.

Пакет расширения SimPowerSystems по макромоделированию мощных систем

В новейшие реализации системы, например 2010 г. выпуска, вошли существенно обновленные и дополненные пакеты расширения SimPowerSystems V5.2.1 и SimElectronics V1.4, библиотеки блоков силовых устройств различного назначения, в том числе мощных MOSFET и модулей на их основе, ориентированные на физико-математическое моделирование, в том числе с применением Spice-моделей активных и пассивных устройств. Однако моделирование силовых устройств (СУ) с такими моделями даже на персональных компьютерах с многоядерными процессорами, поддерживаемых системой MATLAB, требует значительных затрат времени — как на само моделирование, так и на определение множества параметров моделей, которые часто пользователям просто не известны.

Во многих случаях этих недостатков можно избежать, используя макромоделирование, при проведении которого используются упрощенные модели компонентов СУ, например идеальные ключи вместо полных физико-математических и топологических моделей, упрощенные выражения для вольт-амперных характеристик (ВАХ) и т. д. Число параметров, характеризующих модели, при этом уменьшается в несколько раз, а сами параметры имеют вполне понятный смысл.

С первого взгляда может показаться, что это неизбежно ведет к снижению точности моделирования. Но это неверно. Во-первых, свойства большинства современных полевых силовых приборов, в частности мощных MOSFET, на практике уже приближаются к свойствам почти идеальных ключей. Они имеют малое и практически линейное сопротивление во включенном состоянии (доли–единицы Ом), а в выключенном состоянии оно близко к бесконечности. Входное омическое сопротивление MОSFET очень велико. Во-вторых, время включения и даже выключения их намного меньше времен переключения ключевых схем в реальных силовых устройствах, что позволяет считать его пренебрежимо малым. Учитывающая это упрощенная модель MOSFET принята в пакете расширения SimPowerSystems, включенном в новые реализации системы MATLAB+Simulink. В-третьих, многочисленные физико-топологические параметры MOSFET точно неизвестны, а применение усредненных справочных [6] параметров приводит к не меньшим погрешностям моделирования, чем при упрощении моделей ключевых приборов.

Поэтому применение упрощенных моделей силовых приборов в SimPowerSystems вполне оправдано и показало свою большую эффективность в большом числе примеров макромоделирования СУ и систем с построением их моделей на основе идеальных ключей, диодов, биполярных транзисторов, тиристоров (обычных и полностью управляемых) и IGBT. Ниже они доработаны и дополнены примерами с применением мощных MOSFET.

Макромодель мощного полевого транзистора

В окне браузера библиотек слева видно дерево разделов библиотек с перечислением имен пакетов расширения и их разделов, а справа — окно с графическими обозначениям блоков того раздела библиотеки, который выбран. В нашем случае представлены блоки силовой электроники SimPowerSystems, среди которых виден и блок Mosfet макромодели мощного полевого транзистора с изолированным затвором. Эта же макромодель MOSFET используется в многоэлементных мостах (bridges).

Для детального знакомства с тем или иным блоком можно вызвать (например, из контекстно-зависимого меню правой клавишей мыши) окно справки по заданному блоку. Это окно для макромодели мощного полевого транзистора представлено на рис. 2. В нем дано обозначение макромодели (в виде MOSFET с шунтирующим диодом) и идеализированная модель прибора.

Рис. 2. Окно справки пакета расширения SimPowerSystems с данными макромодели мощного полевого транзистора

Включенный прибор представлен идеальным ключом с сопротивлением R_on во включенном состоянии. Напряжение на стоке может быть любой полярности. MOSFET включен, если напряжение на затворе положительно относительно истока; при нулевом напряжении на затворе транзистор выключен. Таким образом, блок управляется логическим сигналом. Диод представлен идеальным диодом, последовательно с которым включено сопротивление диода R_d и индуктивность L_on. Блок имеет измерительный вывод, создающий векторы напряжения сток-исток и тока стока MOSFET.

Здесь уместно отметить, что модель мощного MOSFET в последних реализациях пакета расширения SimPowerSystems изменилась по сравнению с ранними реализациями этого пакета [8–10]. В последних индуктивность включалась последовательно с сопротивлением R_on и входила в цепь стока. Теперь же она включена последовательно с диодом (рис. 2). Если нужно учитывать индуктивность в цепи стока полевого транзистора, ее можно задать как внешний блок.

Диаграмма модели моделируемого устройства создается переносом мышью в окно диаграммы модели нужных блоков и их соединением, также с помощью мыши. Подробно процесс создания моделей описан в книгах по пакету расширения Simulink, например [8–10]. Там же можно найти общее описание пакета расширения SimPowerSystems и его библиотек.

Для задания параметров блоков моделей служат окна параметров. Они вызываются установкой на блоке курсора мыши и двойным щелчком левой клавиши мыши. На рис. 3 представлено окно параметров блока MOSFET. Обратите внимание на то, что кроме уже указанных параметров задаются параметры внешней снайберной RC-цепи, подключаемой между стоком (drain) и истоком (source) MOSFET. При задании бесконечной емкости эта цепь позволяет задавать сопротивление цепи сток-исток выключенного полевого транзистора. Но чаще цепь используется для ослабления колебаний напряжения на стоке при переключении полевого транзистора.

Рис. 3. Окно параметров блока MOSFET

Показанные в окне на рис. 3 параметры MOSFET приняты как исходные в приведенных ниже примерах. Обратите внимание на то, что они отличаются от параметров, принятых по умолчанию в примерах справки по пакету расширения SimPowerSystems.

Макромодель ключа на MOSFET

На рис. 4 показана достаточно простая макромодель ключа на MOSFET с индуктивно-емкостной нагрузкой и источником тока на выходе. Такая макромодель описывается хорошо известным решением дифференциального уравнения второго порядка. Для построения фазового портрета, наглядно описывающего это решение в прямоугольной системе координат, строится зависимость напряжения на конденсаторе от тока стока MOSFET.

Рис. 4. Диаграмма макромодели MOSFET инвертора и график фазового портрета его работы

Осциллограммы работы макромодели MOSFET инвертора представлены на рис. 5. Несмотря на простоту макромодели, эти осциллограммы имеют довольно сложный вид. График фазового портрета позволяет сделать вывод, что при включении инвертора развивается колебательный процесс, который действует на время, равное длительности импульса импульсного генератора (его установки показаны на золотистой вкладке у правого нижнего угла блока генератора).

Рис. 5. Осциллограммы работы макромодели MOSFET инвертора

Макромодель ключевого преобразователя DC/DC

Диаграмма простейшего преобразователя типа DC/DC (рис. 6) обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока другого (большего) уровня [9]. В данном случае напряжение V_DC = 100 В преобразуется в удвоенное напряжение 200 В на нагрузке 50 Ом. Осциллограммы виртуального осциллографа, иллюстрирующие работу этой схемы, показаны на рис. 6. Выходное напряжение такого преобразователя V_load = V_DC/(1–m), где m — коэффициент заполнения импульсов управления ключом. В нашем случае m = 0,5 и V_load = 2V_DC. Это подтверждает средняя осциллограмма на рис. 6. Высокочастотные пульсации, связанные с работой ШИМ, хорошо заметны в начале переходного процесса роста выходного напряжения на нагрузке V_load и хорошо сглаживаются в установившемся режиме работы индуктивностью.

Рис. 6. Диаграмма модели преобразователя постоянного напряжения в повышенное постоянное напряжение и осциллограммы его работы

Интересно отметить, что вид осциллограмм преобразователя на MOSFET (рис. 6) ничем не отличается от вида осциллограмм преобразователя на IGBT, описанного в [7] и в разделе Demos справки по пакету расширения SimPowerSystems. Это говорит о том, что порою одни и те же характеристики СУ могут быть получены при их реализации на разных ключевых приборах.

Одновременное макромоделирование трех MOSFET-конвертеров

Применение макромоделей позволяет нередко моделировать одновременно несколько устройств на одной диаграмме Simulink. Пример этого показан на рис. 7. Здесь во всех моделируемых схемах используется универсальный модуль (блок Universal bridge), в котором задан выбор MOSFET с шунтирующим диодом. Параметры MOSFET соответствуют представленным на рис. 3. Выбор MOSFET с диодом задан параметром Power Electronic Device. Тут можно выбрать и другой прибор, например для сравнения различных вариантов моделируемых схем.

Рис. 7. Три макромодели конвертеров на одном MOSFET, работающие в ключевом режиме

Макромодель, представленная на рис. 7 сверху, представляет простейший конвертер типа DC/DC. Ключ на MОSFET управляется от ШИМ с коэффициентом заполнения m = 0,8. Преобразователь создает ток заряда около 160 А для заряда 200-В аккумулятора. Результаты моделирования представлены на рис. 8. Двухимпульсный генератор создает двухуровневую модуляцию.

Рис. 8. Осциллограммы работы простейшего конвертера DC/DC

Средняя диаграмма на рис. 7 демонстрирует модель двухтактного преобразователя типа DC/AC (напряжения постоянного тока в однофазное напряжение переменного тока) на основе полумоста, выполненного на MOSFET. Питание преобразователь получает от двух источников — один с положительной, а другой с отрицательной полярностью. Благодаря ШИМ напряжение каждого из них преобразуется в полуволну почти синусоидального выходного сигнала. Высокочастотные пульсации последнего хорошо заметны на осциллограммах работы преобразователя (рис. 9).

Рис. 9. Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полумоста

Значительно улучшить форму выходного переменного напряжения позволяет конвертер DC/AC на основе полного моста. Он запускается четырехимпульсным генератором. Диаграмма его модели показана на рис. 7 снизу. Такой конвертер питается от одного источника постоянного напряжения. Осциллограммы его работы показаны на рис. 10. Они демонстрируют значительное снижение уровня высокочастотных пульсаций.

Рис. 10. Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полного моста

Спектральный анализ сигналов преобразователей на MOSFET

Судить о качестве выходного напряжения таких устройств можно, исследуя спектр их выходных напряжений или токов. Для этого в SimPowerSystems имеется специальный инструмент, анализирующий диаграмму модели, — Power GUI. Его блок рекомендуется вставлять в каждую созданную диаграмму, даже если возможности инструмента не предполагается использовать.

Блок построен на основе графического инструмента пользователя Graphics User Instruments (GUI), и его окно (рис. 11) можно вызвать, активизировав блок Power GUI. Он может называться Continue, если решатель дифференциальных уравнений работает с переменным шагом решения, или Discrete, если шаг решения постоянный.

Рис. 11. Окно Power GUI

Инструмент Power GUI позволяет на основе данных (массивов), расположенных в рабочем пространстве MAТLAB, вычислять параметры стационарного режима моделируемых схем, задать параметры инициализации, оценить импеданс цепи и т. д. Здесь нас интересует только применение инструмента для проведения спектрального анализа методом быстрого преобразования Фурье (БПФ, или Fourier Transform) — кнопка FFT Analysis.

Активизация кнопки FFT Analysis открывает окно спектрального анализа, которое показано на рис. 12. В этом окне можно выбрать анализируемую кривую напряжения или тока (в области Available signals — «возможный сигнал»), параметры окна спектрального анализа (область FFT Windows) и установки спектрального анализа (область FFT Setting). Окно спектрального анализа задается начальным временем, числом циклов анализа и основной частотой. В области установок спектрального анализа задается тип отображения его результатов, единица измерения по частотной оси и максимальная частота. Вид окна спектрального анализа на рис. 12 дан для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста. Красным цветом выделяется участок кривой, который подвергается БПФ и размещается в его окне.

Рис. 12. Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полумоста

Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста показано на рис. 13. Сравнение его с рис. 12 показывает, что частота высокочастотных составляющих спектра возросла вдвое, а сам уровень их значительно снизился. В результате коэффициент общих гармонических искажений упал до 2,11%, что говорит о существенном повышении чистоты кривой выходного тока.

Рис. 13. Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста

Макромоделирование преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение

В ряде областей применения электроэнергетики, например в промышленности, широко используются устройства и системы трехфазного переменного тока. Их применение значительно улучшает характеристики таких систем. В связи с этим часто необходимы конвертеры постоянного напряжения, например от аккумуляторных батарей, в трехфазное переменное напряжение или ток. Такие конвертеры востребованы в промышленности и на транспортных средствах, например в электрооборудовании судов и электротранспорта.

Синусоидальная форма выходного напряжения или тока у таких конвертеров обеспечивается за счет соответствующих законов широтно-импульсного управления силовыми ключами. Они обеспечиваются блоком многоимпульсного генератора. В качестве силовых ключей, наряду с тиристорами, мощными биполярными транзисторами и IGBT, весьма перспективны мощные полевые транзисторы. Их высокая скорость переключения не только уменьшает один из главных видов потерь — динамические потери, но и позволяет повысить частоту коммутации и значительно уменьшить габариты реактивных компонентов конвертеров, инверторов и преобразователей.

Это нетрудно пояснить на примере двух диаграмм моделей преобразователей постоянного напряжения в трехфазное (рис. 14). На верхней диаграмме модель соответствует преобразователю на одном мосте, содержащем три MOSFET (или три группы MOSFET), а модель на нижней использует два источника входного напряжения разной полярности и два моста на MOSFET. Для улучшения формы выходного напряжения используется двухуровневая широтно-импульсная модуляция с помощью шестиимпульсного ШИМ в верхней схеме и, соответственно, 12-импульсного в нижней. Их блоки генераторов входят в пакет расширения SimPowerSystems.

Рис. 14. Две диаграммы моделей преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с одним мостом

Преобразователь формирует каждую полуволну выходного переменного напряжения из половины входного постоянного напряжения. Осциллограммы диаграммы модели преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с одним мостом на MOSFET показаны на рис. 15. Нетрудно заметить, что осциллограмма входное напряжения напоминает синусоиду со значительными высокочастотными импульсными помехами, связанными с ключевым методом управления полевыми транзисторами в силовом мосте.

Рис. 15. Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с одним мостом

На рис. 16 показаны осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с двумя мостами. В данном случае каждая полуволна выходного напряжения получается преобразованием напряжения от отдельного входного источника постоянного напряжения. При этом частота преобразования удваивается, и выходное напряжение имеет очень близкую к синусоидальной форму. Высокочастотные пульсации в этом случае едва заметны.

Рис. 16. Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с двумя мостами

На рис. 17 представлено окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с одним мостом. Уровень высших гармоник вполне умеренный, коэффициент гармоник достигает 4,02%.

Рис. 17. Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с одним мостом

Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки двухмостового преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение показано на рис. 18. Высших гармоник, по сравнению с примером на рис. 17, стало заметно меньше. Коэффициент гармоник, в сравнении с первой схемой рис. 14, упал с 4% до 2 %.

Рис. 18. Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с двумя мостами

Модель clamp-инвертора постоянного напряжения в трехфазное с нейтралью и мертвой зоной показана на рис. 19. Модель содержит, по существу, две схемы инверторов, вырабатывающих два выходных трехфазных напряжения. Оба инвертора управляются от одного дискретного ШИМ трехфазного генератора (нижний прямо, а верхний через устройство задержи).

Рис. 19. Диаграмма модели преобразователя с нейтральной точкой и мертвым временем

Контроль за работой модели этого инвертора реализован двумя виртуальными осциллографами. Их осциллограммы представлены на рис. 20 и 21. Можно отметить довольно сложный характер наблюдаемых процессов. Вид кривых выходного напряжения (осциллограммы на рис. 21 снизу) очень близок к синусоидальным зависимостям.

Рис. 20. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope1 диаграммы рис. 19

Рис. 21. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope2 диаграммы рис. 19

Макромоделирование мощного конвертера AC/DC/AC

Конверторы класса AC/DC/AC обычно применяются для преобразования напряжения переменного тока одной частоты в напряжение переменного тока другой частоты. Обычно это необходимо при питании оборудования с одной частотой от сети с другой частотой (например, 60 и 50 Гц). Возможно также построение на их основе источников бесперебойного питания: в них AC/DC-конвертер используется для заряда мощной буферной аккумуляторной батареи, которая затем с помощью конвертера DC/AC обеспечивает получение на выходе напряжения переменного тока с заданными параметрами. Это возможно, даже если питающая источник сеть переменного тока временно отключается и преобразователь DC/AC получает питание от ранее заряженной аккумуляторной батареи.

На рис. 22 представлена диаграмма модели одного из таких конвертеров трехфазного напряжения с мощностью до 50 кВт и частотой 60 Гц в трехфазное напряжение почти той же мощности, но с частотой 50 Гц. Трехфазный выпрямитель напряжения сети с частотой 60 Гц и инвертор с ШИМ и частотой выходного трехфазного напряжения с частотой 50 Гц построены мостах с MOSFET.

Рис. 22. Диаграмма модели мощного конвертера класса AC/DC/AC

Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы рис. 22 представлены на рис. 23. Осциллограммы хорошо иллюстрируют достаточно длительный (более одного периода выходного напряжения) переходный процесс выхода на стационарный режим работы. Он задан, в основном, переходным процессом в цепи LC-фильтра на выходе трехфазного выпрямителя Rectifier.

Рис. 23. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы рис. 22

Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя рис. 22 показано на рис. 24.

Рис. 24. Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя рис. 22

Помимо спектрального анализа окно инструмента Power GUI позволяет выполнить анализ стационарного режима работы моделируемой схемы. Для этого в окне Power GUI (рис. 11) надо активизировать кнопку Steady-State Voltages and Currents. Окно анализа стационарных напряжений и токов показано на рис. 25.

Рис. 25. Результаты расчета стационарного режима работы преобразователя рис. 22

Макромоделирование управляемых трехфазных выпрямителей на MOSFET

Трехфазный выпрямитель (Rectifier) позволяет, даже без применения ключевого режима работы силовых устройств с ШИМ, получить бóльшую мощность и более чистый спектр выходного тока (напряжения). А применение в нем ключевых приборов упрощает регулировку выходной мощности и позволяет уменьшить габариты и массу фильтров на выходе выпрямителя.

Диаграмма модели типичного трехфазного управляемого выпрямителя с мощностью на выходе около 10 кВт показана на рис. 26. Выпрямитель построен на основе трехплечного моста, в котором задано применение MOSFET. Он управляется синхронным с сетью шестиимпульсным генератором.

Рис. 26. Управляемый трехфазный выпрямитель на MOSFET

Осциллограммы работы управляемого выпрямителя показаны на рис. 27. Осциллограммы тока трудно назвать тривиальными — они сильно зависят от настройки параметров управляющего генератора, а также от сопротивления сток-исток включенных MOSFET. Однако переходный процесс нарастания выходного напряжения достаточно очевиден: он близок к экспоненциальному и содержит обусловленные ключевым режимом работы MOSFET высокочастотные пульсации. Их уровень сильно зависит от номинала индуктивности, включенной на выходе выпрямителя перед нагрузкой.

Рис. 27. Осциллограммы работы управляемого трехфазного выпрямителя на MOSFET

В такой выпрямитель можно включить цепи стабилизации выходного напряжения путем изменения длительности импульсов управляющего генератора. Такая реализация диаграммы модели показана на рис. 28. Цепь стабилизации с применением PI-регулятора (с пропорциональным интегрированием) в цепи обратной связи на рис. 28 представлена в нижней части диаграммы.

Рис. 28. Преобразователь трехфазного напряжения для питания двигателя c PI-регулятором тока

Как видно из осциллограмм работы этого выпрямителя, форма его сигналов довольно сложна, и выходное напряжение (две фазы его показаны на рис. 29 сверху) имеет большие высокочастотные (с частотой управления MOSFET) колебания (выбросы). Ухудшение формы сигнала связано с потерей оптимальности длительности импульсов у генератора, запускающего ключи.

Рис. 29. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы рис. 26

Спектр выходного тока содержит довольно большое число высших гармоник. Окно спектрального анализа этого выпрямителя показано на рис. 30. Для уменьшения уровня высших гармоник можно использовать трехфазные LC-фильтры.

Рис. 30. Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя рис. 28

Макромоделирование электродвигателей с инверторами на MOSFET

Инверторы на MOSFET часто используются для питания электродвигателей различного типа, например синхронных и асинхронных электрических машин, и управления скоростью вращения. Пакет расширения SimPowerSystems особенно удобен для макромоделирования «механотронных» систем [9], поскольку имеет обширные библиотеки блоков как мощной электроники, так и электромеханических систем.

Не углубляясь в эту обширную тему, рассмотрим пару примеров применения инверторов на MOSFET для управления электродвигателями. На рис. 31 показана диаграмма модели синхронного двигателя с постоянным магнитом. Там же внизу представлены осциллограммы работы диаграммы, полученные четырьмя виртуальными осциллографами. Из них видно, как система реагирует на скачок Step, меняющий нагрузку магнита.

Рис. 31. Диаграмма модели синхронного двигателя с постоянным магнитом

Подробные осциллограммы скорости вращения ротора двигателя и электромагнитного вращающего момента представлены на рис. 32. Нетрудно заметить, что эффективность стабилизации скорости вращения ротора достаточно высокая.

Рис. 32. Осциллограммы работы диаграммы рис. 31

На рис. 33 представлена диаграмма модели системы питания асинхронного электродвигателя. Такие двигатели имеют простую конструкцию и высокую надежность работы.

Рис. 33. Диаграмма модели системы питания асинхронного электродвигателя

Осциллограммы работы диаграммы рис. 33 показаны на рис. 34. Нетрудно заметить, что выход на стационарную скорость вращения ротора двигателя осуществляется плавно и без малейших колебаний.

Рис. 34. Осциллограммы работы диаграммы рис. 33

О скорости моделирования в MATLAB+Simulink

Приведенные выше примеры моделирования были апробированы на ПК двух классов: на одноядерном процессоре Intel Pentium 4 HT и четырехъядерном Intel Core 2 Quad. Разница составляла 5–6 раз — меньшее время и большую скорость моделирования, естественно, дал ПК с многоядерным процессором. Выяснить примерное быстродействие используемого ПК и сравнить его с быстродействием ПК типовой конфигурации позволяет команда bench, исполняемая в окне командного режима системы MATLAB. На рис. 35 показан результат выполнения этой команды для ПК с четырехъядерным 32-разрядным микропроцессором, 2 Гбайт оперативной памяти и ОС Windows XP Professional. Она незначительно уступает Linux по скорости работы ПК.

Рис. 35. Оценка быстродействия ПК командой bench

Следует учитывать, что моделирование (и макромоделирование) в Simulink идет не в реальном масштабе времени, а в некотором условном масштабе, зависящем от быстродействия ПК и настроек решателя дифференциальных уравнений. Для описанных задач время макромоделирования составляло единицы секунд для ПК с четырехъядерным процессором и не более десятков секунд для ПК с одноядерным.

Заключение

Выше было приведено множество примеров макромоделирования преобразователей (инверторов и конвертеров) на мощных MOSFET с управлением от ШИМ, обеспечивающих высокий КПД и высокие энергетические показатели устройств. Возможны простые эксперименты с макромоделями, выявляющими многие тонкости их работы задолго до реализации устройств «в железе» без опасности выхода силовых устройств из строя. Огромную ценность представляет возможность сравнения различных вариантов моделируемых устройств, выполненных на обычных диодах, обычных и полностью управляемых тиристорах, биполярных транзисторах и IGBT. Для этого достаточно выбрать нужный тип прибора в окне параметров мостов и инверторов, а иногда сменить блок модели прибора в диаграмме. Все это делается гораздо проще и быстрее, чем при натурных исследованиях создаваемых устройств. И, разумеется, надо помнить, что макромоделирование — это лишь один из этапов проектирования силовых устройств.

MOSFET транзисторы NXP для автомобильного применения

В настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора – Bipolar Junction Transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники – цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и т. п.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами. Вся современная цифровая электроника построена в основном на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), в международном сообществе принято название MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Существуют два типа MOSFET: N-канальные и P-канальные. С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET составляют 60-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе размером 1-2 см2 размещаются несколько млрд. транзисторов.

MOSFET-транзистор

В настоящее время MOSFET являются неотъемлемой частью практически любого электронного устройства. На фоне жесткой конкуренции на рынке электроники и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции. Эти и другие факторы подталкивают производителей электронных компонентов постоянно совершенствовать и предлагать все новые и новые разработки и технологии. Компания NXP, смогла занять одну из лидирующих позиций в области производства транзисторов, благодаря передовым технологиям и широкому портфолио MOSFET, насчитывающему более 900 наименований, включая высокочастотные, предоставляя реальный выбор разработчикам электроники подобрать для своих потребностей максимально удовлетворяющий их задачам элемент.

Параметры транзисторов распределяется в диапазоне напряжений сток-исток от 12–300 В, с током стока до 228 А и различными вариантами корпусов, рабочий диапазон температур транзисторов до –55…+175 °C. Краткий перечень и характеристики MOSFET NXP сведены в таблицу 1

Технология TrenchMos

Мощные MOSFET традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990 -х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной (TrenchMOS), обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала сток-исток. Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS(ON) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов. Противоречивые требования к MOSFET: с одной стороны, минимальное сопротивление открытого канала RDS(ON), с другой – минимальный заряд затвора, – прежде всего приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов. По мере совершенствования технологий производства MOSFET-транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов. Эффективность MOSFET-транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе, в который данный кристалл установлен. Наиболее эффективными корпусами для MOSFET-транзисторов признаны корпуса, предназначенные для поверхностного монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Так, наряду со стандартными корпусами TO-220, DPAK, D2PAK и SO, компания NXP выпустила на рынок транзисторы MOSFET, изготовленные по технологии шестого поколения Trench6 в корпусе LFPAK (Loss Free Package). Комбинация технологии шестого поколения Trench с высокоэффективной упаковкой LFPAK увеличивают надежность транзисторов и расширяют границы применения. Транзисторы NXP в корпусе LFPAK обладают малым общим сопротивлением в открытом состоянии (менее 1 мОм) и высокой рабочей температурой, что достигается высокой теплопроводностью корпуса и малым сопротивлением выводов – менее 0,25 мОм. На рис. 1 приведено сравнение внутреннего сопротивлений популярных корпусов транзисторов, без учёта вклада полупроводника, а на рис. 2 изображена внутренняя структура транзистора LFPAK. Видно, что LFPAK не содержит промежуточных шин и сварных соединений, чем и объясняются его отличные характеристики.

Рисунок 1. Внутренне сопротивление популярных SMD корпусов.

Рисунок 2. Способы подключения выводов в популярных корпусах транзисторов и в LFPAK

Расчет площади занимаемой D2PAK, DPAK и LFPAK показывает, что экономия места при применении транзисторов в корпусе LFPAK достигает 75 и 46% соответственно. При соизмеримой площади занимаемой MOSFET в корпусе SO8, корпус LFPAK более компактен по высоте. Конструкция корпуса LFPAK при толщине всего 1,1 мм позволяет добиться оптимальных показателей по отводу тепла, обеспечивая дополнительный путь отвода тепла с верхней части корпуса, что позволяет при необходимости более эффективно использовать радиатор. Кроме того, корпус LFPAK имеет на 50% меньшую паразитную индуктивность, что делает транзисторы в этом корпусе идеальным для применения в мощных высокочастотных схемах.

На рис. 3 показаны результаты термографии MOSFET в корпусах SO8, DPAK и LFPAK. Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1 Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.

Рисунок 3.

Расширяя портфолио MOSFET, компания NXP предлагает ряд транзисторов для автомобильных применений, с этой целью было разработано семейство MOSFET TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры. Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированы по методике AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР). На рис. 4 показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS. Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, так как отпадает необходимость в использовании внешних элементов.

Рисунок 4. Функциональная схема транзистора, изготовленного по технологии TrenchPLUS

Таблица 1. Краткий перечень N-канальных MOSFET NXP в корпусе LFPAK

Область применения MOSFET‑транзисторов:

• DC/DC-преобразователи, синхронные выпрямители, понижающие/повышающие конверторы, блоки управления электродвигателями, блоки управления подачей топлива для автозаправочных станций, системы безопасности железнодорожного транспорта, электронные балласты для люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, зарядные устройства и блоки питания;
• бытовая электроника – мобильные и бытовые телефоны, компьютеры, ноутбуки и блоки питания к ним, MP3- плееры и мобильные плееры, цифровые видеокамеры, схемы защиты Li-ion батарей, set-top-box, схемы управления вращением кулеров, кондиционеры, модули управления лазерными приводами, блоки управления холодильниками, стиральными машинами, пылесосами;
• автомобильная электроника – генераторы и стартеры переменного тока, электронные модули рулевого управления, электронасосы топлива и воды, турбокомпрессоры, модули управления стеклоподъемниками, стеклоочистителями, зеркалами, системы ABS, ESP, EBD, автоматизированные коробки передач, модули DC/DC-преобразователей, регуляторы положения сидений, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, система активной подвески.

На основании рассмотренных преимуществ MOSFET производства компании NXP Semiconductors можно сделать выводы, что, в сравнении с продукцией других производителей, они наиболее эффективны для использования в различных силовых системах электроники и наиболее пригодны для использования в особо важных системах безопасности автомобильного и железнодорожного транспорта.

Прибор для проверки коэффициента усиления мощных и маломощных транзисторов своими руками

Прибор для проверки коэффициента усиления мощных и маломощных транзисторов своими руками

Хотя сейчас много в продаже различных приборов и мультиметров, измеряющих коэффициент усиления транзисторов, но любителям что-нибудь мастерить и паять можно порекомендовать несколько несложных схем и доработку.

Данный прибор для проверки транзисторов позволяет точно замерять ряд следующих параметров…

• Коэффициент усиления h31э маломощных транзисторов.
• Коэффициент усиления h31э мощных транзисторов.
• Минимальное напряжение питания коллекторной цепи, при котором сохраняется линейный динамический режим работы маломощных транзисторов.
• Минимальное напряжение питания коллекторной цепи, при котором сохраняется линейный динамический режим работы мощных транзисторов.
• Полярность и соответствие выводов маломощных транзисторов.
• Полярность и соответствие выводов мощных транзисторов.

Принципиальная схема прибора

Работа схемы в режиме измерения коэффициента транзисторов

Эта схема стабилизирует в проверяемом транзисторе ток Б/Э, при этом транзистор открывается и начинает течь ток К/Э, который вызывает падение напряжения на нагрузочных резисторах 36 и 360 ом, для мощных и маломощных транзисторов соответственно. Миллиамперметр при этом измеряет ток или напряжение базы транзистора.

h31э = Iэ/Iб, у нас ток эмиттера стабилизирован, при таком режиме измеряя базовый ток можно легко высчитать h31э и сразу отградуировать шкалу миллиамперметра в единицы коэффициента усиления транзистора.

В режиме вольтметра в цепи базы можно находить минимальное напряжение, при котором базовые и эмиттерные токи проверяемого транзистора перестают зависеть от коллекторного напряжения. Этот параметр важен для оптимизации питающих напряжений усилителей НЧ, транзисторных каскадов отвечающих за линейность преобразуемых сигналов, полу мостовых и мостовых инверторов, и т. д.

Преобразователь напряжения выполнен на двухтактном микроконтроллере электронных пускорегулирующих аппаратов ЭПРА 1211ЕУ1, по типовой схеме включения. Микросхема представляет специализированный микроконтроллер с питанием от 3 до 24 Вольт, с малой потребляемой мощностью, выполненного на полевых транзисторах. Данный контроллер имеет двухтактный выходной каскад с защитным интервалом, содержит малое количество навесных элементов, имеет два вывода для защиты по питанию, вывод для выбора рабочей частоты, максимальный выходной ток 250 мА.

Преобразователь вырабатывает постоянное напряжение 25-30 Вольт для обеспечения режима измерения минимального напряжения, при котором базовые и эмиттерные токи проверяемого транзистора перестают зависеть от коллекторного напряжения.

Обозначение и краткое описание параметров и режимов транзисторов

Для понимания процесса измерения параметров транзисторов, необходимо знать по каким критериям оцениваются измеряемые параметры.

Параметры четырехполюсника взаимосвязаны по определенным системам уравнений, описывающих происходящие процессы.

Если в данное время чаще пользуются одна система, это не значит, что других систем не существует.

Виды систем параметров транзисторов

Существует несколько признанных систем параметров транзисторов.

1. Когда в базовых переменных взяты токи, такая система будет называться, система z — параметров.

Z-система применяется для области низких частот, потому что в ней не учтены реактивные элементы.

По ней измеряются характеристические сопротивления в режиме холостого хода по переменному току, поэтому она вошла в историю как система параметров холостого хода.

В z-системе значения параметров обозначаются буквами r и z.

2. Если в базовых переменных взяты напряжения, такая система будет называться — система y — параметров.

Здесь параметры выражаются в виде полных проводимостей и определяются в режиме короткого замыкания. В y-системе для низких частот параметры определяются активной составляющей проводимости.

В y-системе значения параметров обозначаются буквами g.

Систему y-параметров удобно применять для характеристики параметров плоскостных транзисторов, так как при этом не нужно создавать режима холостого хода. Режим короткого замыкания по переменному току в этой системе создается шунтированием выхода конденсатором.

В этой системе возникают трудности при измерении проводимости обратной связи g12, Потому что для этого измерения необходимо создать режим короткого замыкания на входе транзистора.

Y-систему удобно применять для расчетов, особенно если есть необходимость сравнить транзисторный каскад с ламповым. Параметры этой системы наиболее близки к параметрам электронных ламп.

Эту систему можно назвать системой режима короткого замыкания.

3. Если в базовых переменных взяты входные токи и выходные напряжения, такая система будет называться — система h — параметров. Она же смешанная система.

Смешанная система является наиболее удобной для определения параметров транзисторов.

В h-системе значения параметров обозначаются буквами hб, hэ, hк, для базовых, эмиттерных и коллекторных цепей соответственно.

Коэффициент передачи тока или коэффициент усиления по току.

Коэффициентом передачи тока называют отношение тока коллектора к вызвавшему его току базы.

Коэффициент передачи тока h31 в системе h параметров имеет следующие обозначения:

· h31б коэффициент передачи тока в схемах с общей базой, это hб параметры.

· h31э коэффициент передачи тока в схемах с общим эмиттером, это hэ параметры.

· h31к коэффициент передачи тока в схемах с общим коллектором, это hк параметры.

Но для коэффициента передачи тока есть общее обозначение, применяемое во всех трех приведенных системах параметров, обозначаемое греческими буквами Альфа и Бэта, которое имеет следующий вид.

· Греческой буквой Альфа, обозначается коэффициент усиления по току для транзисторов, включенных по схеме с общей базой — ОБ. Он же обозначается как -h31б. Альфа = — h31б.

· Греческой буквой Бэта, обозначается коэффициент усиления по току для транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером — ОЭ. Он же обозначается как -h31б. Вэта = h31э.

Справка

Транзисторы, у которых между коллектором и эмиттером включен диод, защищающий транзистор от инверсных (обратных) токов, возникающих в результате переходного процесса при работе на индуктивную нагрузку и при возникающем изменении полярности питающего напряжения. Такие транзисторы не пригодны для использования в инверторных мостовых схемах.

Испытатель для транзисторов

Данный прибор работает без единой поломки с 1981 года, за период эксплуатации не было ни одного экземпляра транзистора, которого этот прибор не смог проверить.

    Предлагаемый испытатель транзисторов может с достаточной для схем точностью определять величину усиления транзисторов до 1000 единиц. Это позволяет определять коэффициент усиления составных транзисторов. Прибор точно проверяет усиление транзисторов любой мощности без дополнительных коммутаций.

    Прибор позволяет очень быстро проводить следующие измерения:

•   Проверку работоспособности транзистора.
•   Определения коэффициента усиления одиночных транзисторов.
•   Определения коэффициента усиления составных транзисторов.
•   Определения проводимости транзистора.
•   Определения соответствия выводов транзистора.
•   Подбор транзисторов с одинаковым коэффициентом усиления.

    Принцип действия прибора основан на том, что испытываемый транзистор V1 вместе с транзистором V2 образуют несимметричный мультивибратор.

    Параметры мультивибратора подобраны таким образом, что генерация импульсов возможна только тогда, когда суммарное сопротивление резисторов, включенных в цепь базы испытуемого транзистора, численно равно или чуть меньше значения его коэффициента h31э. Если сопротивление в цепи базы транзистора V1 больше его коэффициента передачи по току, генерация не возникает, и звука нет.

    Структуру проверяемых транзисторов устанавливают переключателем S1.

    Переменный резистор R3, должен быть группы «А», с линейной зависимостью характеристики.

    В приборе примененные транзисторы можно заменить на следующие.

    V2 — КТ315, V3 — ГТ404, V4 — ГТ402 или их импортные аналоги.

    Чем больше усиление транзистора, тем дольше будет слышен звук в динамике.

Схема была опубликована в журнале «Radioamatater» Югославия и в журнале «Радио» №10, за 1981 год.

Спасибо за внимание. Удачи!

Автор:Белецкий А. И.

Доработка испытателя транзисторов

Для данного испытателя транзисторов можно сделать две доработки (сайт:domcxem.ru).

Введена проверка полевых транзисторов и унифицированный звуковой сигнализатор.

Доработанная схема испытателя транзисторов.

1) Отдельная фиксируемая кнопка включает в «базу» проверяемого транзистора резистор, сопротивлением 100 КОм, заземленный с другой стороны. Так измеритель может проверять полевые транзисторы с p-n переходом и p или n каналом (КП103 КП303 и им подобные). Также, без переделки, в этом режиме можно проверять МОП транзисторы с изолированным затвором n- и p- типа (IRF540, IRF9540 и т.п.)

2) В коллектор второго транзистора измерительного мультивибратора (выход НЧ сигнала) я включил детектор с удвоением, по обычной схеме нагруженный на базу КТ 315-го. Таким образом, К- Э переход этого ключевого транзистора замыкается, когда в измерительном мультивибраторе возникает генерация (определён коэффициент передачи). Ключевой транзистор, открываясь, заземляет эмиттер ещё одного транзистора, на котором собран простейший генератор с резонатором на трёхвыводном пьезоэлементе – типовая схема генератора вызывного сигнала «китайского» телефона. Фрагмент схемы мультиметра – узел проверки транзисторов – приведён на рисунке, выше.

Такое схемное нагромождение было вызвано желанием использовать тот же вызывной генератор в узле сигнализации перегрузки по току лабораторного блока питания, так как первый, собранный мной, по упомянутой схеме, испытатель параметров транзисторов, был встроен в ЛБП.

Второй измеритель был встроен самодельный в многофункциональный стрелочный мультиметр, где один трёхвыводной пьезоизлучатель использовался как сигнализатор в режиме «пробник» (звуковая проверка короткого замыкания) и испытатель транзисторов.

Теоретически (я не пробовал), этот испытатель можно переделать для проверки мощных транзисторов, уменьшив, например, на порядок сопротивления резисторов в обвязке проверяемого транзистора.

Так же, возможно зафиксировать резистор в базовой цепи (1 или 10 кОм) и изменять сопротивление в коллекторной цепи (для мощных транзисторов).

P.S. Смотрите также: прибор для проверки величин допустимых напряжений и напряжений утечек транзисторов, диодов, конденсаторов и других радиодеталей.

• Как сделать повидловарку?

… или вторая жизнь старого термопота

Осень — когда спелые яблоки уже собраны с деревьев в наши корзинки, сумки … и едут в наши дома и квартиры… По мимо всего прочего с яблок, да и не только с яблок можно приготовить своими руками повидло. Оно будет радовать вас изумительным вкусом. Домашнее повидло, нежное и душистое будет прекрасным угощением к чаю. Повидло можно также использовать в качестве начинки для вашей выпечки. Для этого нам поможет повидловарка, сделанная своими руками из старого термопота!

Подробнее…

• Самодельный металлодетектор Motion

Motion (динамический) — это значит, что для обнаружения металлического объекта катушка должна находиться в движении. Металлодетектор, что я собираюсь предложить вам сейчас — это полу-профессиональный прибор. Основа проекта была взята из старых схем, изменена, улучшена и упрощена. Также  переработана печатная плата и расположение компонентов.

Подробнее…

• Компактный генератор сигналов на CS2000

Простой ВЧ генератор от 1,5 до 165 МГц

Генераторы (осцилляторы) составляют ключевую роль во многих радиолюбительских и других конструкциях.

В любительском радио генератор переменной частоты (VFO) часто используется для генерации рабочей частоты приемника, передатчика или приемопередатчика.

При поиске микросхемы для генератора я наткнулся на Cirrus Logic CS2000 и после дальнейшего детального изучения он выглядел довольно многообещающим компонентом…

Подробнее…

Популярность: 5 265 просм.

Безопасное, точное и быстрое тестирование MOSFET

Измерения I-V и C-V постоянного тока в 2 раза быстрее

4200A-SCS

Ускорьте исследования, исследования надежности и анализа отказов полупроводниковых устройств, материалов и разработки процессов с помощью 4200A-SCS. Анализатор параметров с высочайшими характеристиками, он обеспечивает синхронизирующие измерения тока-напряжения (I-V), емкости-напряжения (C-V) и сверхбыстрые импульсные измерения I-V.
Программное обеспечение на основе графического интерфейса пользователя 4200A-SCS Clarius ^TM обеспечивает четкие, бескомпромиссные возможности измерения и анализа.Программное обеспечение Clarius, оснащенное встроенными экспертными знаниями в области измерений и сотнями готовых к использованию тестов приложений, позволяет вам глубже и глубже погрузиться в ваши исследования.
Анализатор параметров 4200A-SCS полностью настраивается и полностью обновляется, поэтому вы можете добавлять инструменты, которые вам нужны, сейчас или позже. С анализатором параметров 4200A-SCS подключение к вашим смелым открытиям стало еще проще.

ПОДРОБНЕЕ

Комплексные решения для определения характеристик мощных устройств

Конфигурации измерителя параметрических кривых

Разработка и использование полевых МОП-транзисторов, IGBT, диодов и других высокомощных устройств требует всестороннего определения характеристик устройства, такого как напряжение пробоя, ток в открытом состоянии и измерения емкости.Линия мощных конфигураций Parametric Curve Tracer компании Keithley поддерживает полный спектр типов устройств и параметров испытаний. Конфигурации Parametric Curve Tracer компании Keithley включают в себя все необходимое, чтобы инженер по характеристике мог быстро разработать полную испытательную систему.

ПОДРОБНЕЕ

Характеристики силовых полупроводников и компонентов

2650A Серия

2650A разработаны специально для определения характеристик и тестирования электроники высокого напряжения / тока и силовых полупроводников, таких как диоды, полевые транзисторы и IGBT, светодиоды высокой яркости, преобразователи постоянного тока в постоянный, батареи, солнечные элементы и т. Д. высокомощные материалы, компоненты, модули и узлы.Они обеспечивают беспрецедентную мощность, точность, скорость, гибкость и простоту использования, что позволяет повысить производительность при исследованиях и разработках, производственных испытаниях и повысить надежность. Доступны два прибора, обеспечивающие мощность импульсного тока до 3000 В или до 2000 Вт.

ПОДРОБНЕЕ

Сократить время разработки широкой запрещенной зоны

Изолированные пробники IsoVu

IsoVu® – правильный инструмент для решения сложных современных задач измерения мощности. Они предлагают лучшую в отрасли полосу пропускания 1 ГГц, подавление синфазного сигнала 160 дБ или 100 миллионов к 1, синфазное напряжение 60 кВ, большой дифференциальный диапазон ± 2500 В и превосходную нагрузку на пробник.

ПОДРОБНЕЕ

Расширенное измерение и анализ мощности

Благодаря удивительно инновационному пользовательскому интерфейсу с сенсорным экраном и масштабированием, крупнейшему в отрасли дисплею высокой четкости и 4, 6 или 8 входам FlexChannel ™, которые позволяют измерять один аналоговый или восемь цифровых сигналов, MSO серии 5 готов к работе. сложнейшие задачи сегодняшнего дня и завтрашнего дня. Он устанавливает новый стандарт производительности, анализа и общего взаимодействия с пользователем.

ПОДРОБНЕЕ

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) | Теория твердотельных устройств

Полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET), также известный как металлооксидный полевой транзистор (MOSFET), является производным полевого транзистора (FET). Сегодня большинство транзисторов относятся к типу MOSFET как компоненты цифровых интегральных схем. Хотя дискретных BJT больше, чем дискретных MOSFET. Количество MOSFET-транзисторов в интегральной схеме может приближаться к сотням миллионов.Размеры отдельных устройств MOSFET менее одного микрона, уменьшаясь каждые 18 месяцев. Полевые МОП-транзисторы гораздо большего размера способны переключать ток около 100 ампер при низких напряжениях; некоторые выдерживают почти 1000 В при более низких токах. Эти устройства занимают добрую долю квадратного сантиметра кремния. MOSFET находит гораздо более широкое применение, чем JFET. Однако в настоящее время силовые устройства MOSFET не так широко используются, как транзисторы с биполярным переходом.

MOSFET имеет выводы истока, затвора и стока, как и у полевого транзистора.Однако вывод затвора не имеет прямого соединения с кремнием по сравнению с корпусом для полевого транзистора. Затвор MOSFET представляет собой металлический или поликремний слой поверх изолятора из диоксида кремния. Затвор имеет сходство с конденсатором Metal Oxide Semiconductor (MOS) на рисунке ниже. При зарядке пластины конденсатора принимают полярность заряда соответствующих клемм аккумулятора. Нижняя пластина изготовлена ​​из кремния P-типа, электроны отталкиваются отрицательной (-) клеммой батареи в сторону оксида и притягиваются положительной (+) верхней пластиной.Этот избыток электронов около оксида создает инвертированный (избыток электронов) канал под оксидом. Этот канал также сопровождается обедненной областью, изолирующей канал от объемной кремниевой подложки.

N-канальный МОП-конденсатор: (а) не заряжен, (б) заряжен.

На рисунке ниже (а) МОП-конденсатор помещен между парой диффузоров N-типа в подложке P-типа. При отсутствии заряда конденсатора, отсутствии смещения на затворе диффузоры N-типа, исток и сток остаются электрически изолированными.

N-канальный МОП-транзистор (расширенного типа): (a) смещение затвора 0 В, (b) положительное смещение затвора.

Положительное смещение, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор). Затвор наверху оксида берет положительный заряд от батареи смещения затвора. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под оксидом затвора образуется область инверсии с избытком электронов. Эта область теперь соединяет исток и сток N-типа, образуя непрерывную N-область от истока до стока.Таким образом, полевой МОП-транзистор, как и полевой транзистор, является униполярным устройством. За проводимость отвечает один тип носителя заряда. Этот пример представляет собой N-канальный MOSFET. При приложении напряжения между этими соединениями возможно проведение большого тока от истока к стоку. Практическая схема будет иметь нагрузку последовательно с разрядной батареей на рисунке выше (b).

МОП-транзистор, описанный выше на рисунке выше, известен как МОП-транзистор расширенного режима .Непроводящий, выключенный канал включается путем усиления канала ниже затвора путем приложения смещения. Это самый распространенный вид устройств. Другой тип полевого МОП-транзистора здесь описываться не будет. См. Главу о полевых транзисторах с изолированным затвором для устройства с режимом истощения .

МОП-транзистор, как и полевой транзистор, представляет собой устройство, управляемое напряжением. Входное напряжение на затвор управляет потоком тока от истока к стоку. Ворота не потребляют постоянный ток.Тем не менее, затвор потребляет всплеск тока, чтобы зарядить емкость затвора.

Поперечное сечение N-канального дискретного МОП-транзистора показано на рисунке ниже (а). Дискретные устройства обычно оптимизированы для коммутации большой мощности. N + указывает, что исток и сток сильно легированы N-типом. Это сводит к минимуму резистивные потери на пути высокого тока от истока к стоку. N- указывает на легкое легирование. P-область под затвором, между истоком и стоком, может быть инвертирована путем приложения положительного напряжения смещения.Профиль легирования представляет собой поперечное сечение, которое может быть расположено в виде змеевика на кремниевом кристалле. Это значительно увеличивает площадь и, следовательно, текущую управляемость.

N-канальный полевой МОП-транзистор (тип расширения): (a) поперечное сечение, (b) условное обозначение.

Условное обозначение полевого МОП-транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, что указывает на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку указывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе.Обычно «выключенный» полевой МОП-транзистор является устройством режима улучшения. Канал должен быть улучшен путем приложения напряжения к затвору для обеспечения проводимости. «Указывающий» конец стрелки на подложке соответствует материалу P-типа, который указывает на канал N-типа, «не указывающий» конец. Это символ N-канального MOSFET. Стрелка указывает в противоположном направлении для устройства с P-каналом (не показано). MOSFET – это четыре оконечных устройства: исток, затвор, сток и подложка. Подложка подключается к источнику в дискретных полевых МОП-транзисторах, превращая собранную часть в трехполюсное устройство.Полевые МОП-транзисторы, которые являются частью интегральной схемы, имеют общую подложку для всех устройств, если они специально не изолированы. Это общее соединение может быть выведено из кристалла для подключения к заземлению или напряжению смещения источника питания.

N-канальный «V-MOS» транзистор: (а) поперечное сечение, (б) условное обозначение.

Устройство V-MOS на (рис. Выше) представляет собой улучшенный силовой полевой МОП-транзистор с профилем легирования, расположенным таким образом, чтобы снизить сопротивление истока и стока в открытом состоянии.VMOS получил свое название от V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения пути исток-сток. Это минимизирует потери и позволяет переключать более высокие уровни мощности. UMOS, вариант с U-образной канавкой, более воспроизводим при изготовлении.

ОБЗОР:

МОП-транзисторы
• – это устройства с униполярной проводимостью, проводящие с одним типом носителя заряда, как у полевого транзистора, но в отличие от БЮТ.
• МОП-транзистор – это устройство, управляемое напряжением, подобное полевому транзистору.Входное напряжение затвора управляет истоком для стока тока.
• Затвор MOSFET не потребляет постоянного тока, за исключением утечки. Однако для зарядки емкости затвора требуется значительный начальный скачок тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Полевой транзисторный биосенсор для быстрого обнаружения антигена Эбола

Полевые транзисторы с изолированным затвором Рабочий лист

Пусть электроны сами дадут вам ответы на ваши собственные «практические проблемы»!

По моему опыту, студентам требуется много практики с анализом цепей, чтобы стать профессионалом.С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических задач, над которыми нужно работать, и дают ученикам ответы, с которыми они могут проверить свою работу. Хотя такой подход позволяет студентам овладеть теорией схем, он не дает им полноценного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические схемы построения схем и использование испытательного оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны построить свои собственные «практические задачи» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока.Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которых они не приобрели бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для следования этому методу практики – научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки поиска и устранения неисправностей, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схем.

Выделите несколько минут времени со своим классом, чтобы ознакомиться с некоторыми «правилами» построения схем, прежде чем они начнутся.Обсудите эти проблемы со своими учениками в той же сократической манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, вместо того, чтобы просто говорить им, что они должны и не должны делать. Я никогда не перестаю удивляться тому, насколько плохо студенты понимают инструкции, представленные в типичном формате лекции (монолог инструктора)!

Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, необходимое ученикам для построения реальных схем вместо того, чтобы просто математически анализировать теоретические схемы:

Какова цель студентов, посещающих ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, им следует по возможности учиться на реальных схемах.Если ваша цель – обучить физиков-теоретиков, то во что бы то ни стало придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планируют, чтобы наши ученики что-то делали в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потраченное впустую» время, потраченное на создание реальных схем, принесет огромные дивиденды, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, когда студенты создают свои собственные практические задачи, они учатся выполнять первичных исследования , тем самым давая им возможность продолжить свое образование в области электрики / электроники в автономном режиме.

В большинстве наук реалистичные эксперименты намного сложнее и дороже, чем электрические схемы. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их студенты применяли передовую математику в реальных экспериментах, не представляющих опасности для безопасности и стоивших меньше, чем учебник. Они не могут, но вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставьте своих учеников практиковать математику на множестве реальных схем!

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

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

Что сохраняется в файле cookie?

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

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

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

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

Что сохраняется в файле cookie?

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

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

Однослойные полевые МОП-транзисторы из селенида германия (GeSe) размером менее 5 нм: на пути к высокопроизводительному и стабильному устройству

Двумерные (2D) полевые транзисторы (FET) из черного фосфора (BP) демонстрируют отличные характеристики устройства, но страдают от серьезной нестабильности в условиях окружающей среды.Изоэлектронный двумерный селенид германия (GeSe) имеет много общих свойств с двумерным БП, таких как высокая подвижность носителей и анизотропия, но он стабилен в условиях окружающей среды. Здесь мы исследуем квантовые транспортные свойства полевых МОП-транзисторов GeSe с размером менее 5 нм с использованием первых принципов моделирования квантового транспорта. Устройство p-типа (направленное зигзагом) превосходит другие типы (направленное на кресло n- и p-типа и направленное зигзагом n-типа). Ток в открытом состоянии устройств p-типа (зигзагообразно направленный) даже при длине затвора 1 нм может удовлетворить требования высокопроизводительных приложений следующего десятилетия в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS, версия 2013 г. ).Насколько нам известно, эти ML-полевые транзисторы GeSe MOSFET имеют наименьшую длину затвора, которая может удовлетворить текущие требования ITRS HP в открытом состоянии среди заявленных полевых транзисторов для 2D-материала.

У вас есть доступ к этой статье