Ube транзистора что это

14

Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_7

ние) и прямого напряжения (выключенное состояние) (рис. 7.21), причем состояние транзистора зависит только от сигнала управления.

По принципу действия различают основные классы силовых транзисторов:

биполярные; полевые, среди которых наибольшее распро-

странение получили транзисторы типа металл- оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor);

полевые с управляющим p-n -переходом или транзисторы со статической индукцией (СИТ) (англ. SIT – static induction transistor);

биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT – insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы p-n-p- è n-p-n -типов (рис. 7.22). Среди силовых транзисторов большее распространение получил n-p-n -тип. Средний слой структуры называют базой ( B ), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттером ( E ), собирающий носители – коллектором ( C ).

Рис. 7.21. ВАХ идеального транзисторного ключа

Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Рассмотрим более подробно процессы, возникающие при подключении источников напряжения к транзистору n-p-n -типа. Подача прямого напряжения на эмиттерный p-n -переход ( U EB > 0) è îá-

ратного напряжения ( U CB < 0) на коллекторный соответствуют нормальному включению транзистора, которое обычно используется в силовой электронике. При такой схеме включения транзистора потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается, а коллекторного – увеличивается. В результате начинает происходить инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Большая часть электронов достигает коллекторного перехода

è под воздействием поля обратного смещения втягивается в слой коллектора.

Таким образом формируются токи эмиттера i E

è коллектора i C . Разностью этих токов создается ток базы i B.

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполярные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы с током 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц.

МОП-транзисторы. Принцип действия транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например, диоксид кремния SiO 2 .

Рис. 7.22. Структуры и символы биполярных транзисторов: à – n-p-n -òèïà; á – p-n-p -òèïà

§ 7.3. Силовые транзисторы

Рис. 7.23. Структура полевого транзистора

Рис. 7.24. Структуры и символы МОП транзисторов с проводящим каналом n -òèïà: à – с индуцированным каналом; á – со встроенным каналом

Принцип управления МОП-транзистором можно рассмотреть на примере структуры, состоящей из слоев металла, диэлектрика и полупроводника с проводимостью p -типа (рис. 7.23). Если к этой структуре подключать источник напряжения E , положительным выводом к металлу, то дырки полупроводника будут перемещаться в направлении отрицательного потенциала внешнего источника, обедняя основными носителями слой полупроводника, граничащий с диэлектриком. При изменении полярности напряжения внешнего источника будет происходить процесс обогащения дырками этого поверхностного слоя. При определенном напряжении внешнего источника вблизи границы с диэлектриком может быть образован тонкий слой, в котором электроны преобладают над дырками, т. е. в полупроводнике появится слой с инверсным

типом проводимости n -типа. Этот индуцированный слой называют каналом. Его электрическая проводимость (а, следовательно, сопротивление) зависит от приложенного напряжения внешнего источника. На этом принципе основана работа МОП-транзисторов.

Различают два типа МОП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами. Оба типа имеют выводы из структуры транзисторов: сток ( D ), исток ( S ), затвор ( G ), а также вывод от подложки ( B ), соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала разли- чают транзисторы с n — è p -типами каналов. На рис. 7.24 изображены структуры и символы МОП-тран- зисторов с каналами n -типа. Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содер-

Гл. 7. Силовые электронные ключи

жанием носителей. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например, n + -òèïà.

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом проводящая область образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т. е. они работают в режиме обогащения, что позволяет управлять током стока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток – исток протекает и при отсутствии

Рис. 7.25. Структура (вертикальный срез) и символ СИТ транзистора

Рис. 7.26. Структура ( à ), эквивалентная транзистора с изолированным затвором

напряжения на затворе. Для управления этим током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями.

Принципиальным отличием МОП-транзисто- ров от биполярных является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-транзисторы называются также униполярными транзисторами.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала ( R DSon ) примерно 0,5 Ом, частота коммутации не превышает 100 кГц.

СИТ-транзисторы. Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n -переходом. СИТтранзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи

схема ( á ) и символ ( â ) биполярного

§ 7.3. Силовые транзисторы

p-n -переходом. На рис. 7.25 показана упрощенная структура СИТ-транзистора. При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала СИТтранзистора минимально и он находится в нормальном” открытом (включенном) состоянии ” . При подаче на затвор положительного относительно истока потенциала толщина канала уменьшается и его сопротивление увеличивается, что позволяет управлять током в цепи сток–исток. В СИТ-транзис- торе p-n -переход смещен в обратном направлении и управление полем позволяет изменять заряд барьерной емкости этого перехода с очень малым потреблением мощности.

Малое расстояние от истока до затвора благодаря вертикальному каналу позволяет уменьшить сопротивления и ” паразитные” емкости между выводами транзистора. Это дает возможность повысить его быстродействие и мощность при многоканальном исполнении. Рабочая частота СИТ-транзисто- ров обычно ограничивается 100 кГц при напряжениях коммутируемой цепи до 1200 В. Верхний предел диапазона коммутируемых токов достигает несколько сот ампер.

БТИЗ-транзисторы. Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства бипо-

лярного и полевого транзисторов привело к созданию БТИЗ-транзисторов. Он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых.

На рис. 7.26 представлены упрощенная структура, эквивалентная схема и символ БТИЗ с каналом n -типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП-транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью p + -типа, который придает БТИЗ свойства биполярного транзистора. Структуре БТИЗ соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.26, á. Выходная цепь на этой схеме представлена транзистором p-n-p -типа, а дополнительному p — n — переходу соответствует транзистор n — p — n -òèïà.

При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом n -типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые напряжения БТИЗ, выполненных на основе современных электронных технологий, достигают 3–5 кА. При этом рабочая частота в зависимости от мощности транзистора находится в диапазоне 20–100 кГц.

7.3.2. СТАТИЧЕСКИЕ ВАХ ТРАНЗИСТОРОВ

Силовые транзисторы являются полностью управляемыми приборами, которые могут быть представлены в виде четырехполюсников с входными, выходными и проходными (передаточными) характеристиками.

В электронных аппаратах силовые биполярные транзисторы обычно включаются по схеме с общим эмиттером, а полевые – с общим истоком. На рис. 7.27 представлена схема биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, нагрузкой R í и сопротивлением R ó в цепи управления с источником напряжения u ó . Выходной характеристикой в этой схеме обычно является зависимость тока коллектора i C от напряжения u CE , а входной – тока базы i B от напряжения u BE . Соответственно передаточными характеристиками будут зависимости i C = f ( i B ) èëè u CE = f ( i B ) с учетом конкретного значения сопротивления нагрузки R í .

Статические выходные характеристики при разных значениях тока базы представлены на рис. 7.28. В этой же системе координат дано зеркальное отображение линейной нагрузочной характеристики, определяемой сопротивлением R í . Пересечение выходной характеристики (для определенного тока базы) с нагрузочной определяет режим работы тран-

зистора, т. е. ток коллектора и напряжение транзистора.

Различают три основные статические режима работы транзистора: активный, насыщения и отсечки (на рис. 7.28 этим режимам соответствуют области B , A è C ). При использовании транзистора в ключевых схемах он работает в двух режимах – насыщения (включенное состояние) и отсечки (выключенное состояние).

В режиме отсечки переходы транзистора смещены в обратных направлениях т. е.

u BE ≤ 0 ; u BC ≤ 0 ( n − p − n ) ;

Рис. 7.27. Транзисторный ключ с общим эмиттером

Гл. 7. Силовые электронные ключи

Рис. 7.28. Выходные статические ВАХ биполярного транзистора

Рис. 7.29. Зависимость статического коэффициента передачи по току биполярного транзистора от тока коллектора и температуры кристалла

Рис. 7.30. Входные статические ВАХ биполярного транзистора

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном

u BE > 0 ; u BC < 0 ( n − p − n ) ;

В статическом активном

транзистора связаны следующими соотношениями:

i C = β i B + ( β + 1) I C 0

i C = α i E + I C 0 ≈ α i E ;

где β – коэффициент

по току в схеме

с общим эмиттером; α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой; I C 0 – тепловой ток коллекторного перехода.

В области насыщения оба p-n -перехода смещены в прямом направлении, т. е.

u BC > 0 ( n − p − n ) ;

u BE < 0 ; u BC < 0 ( p − n − p ) .

В этом режиме справедливы соотношения

I B sat = I í ⁄ β ;

ãäå I B sat – граничное значение тока базы при котором наступает насыщение; S – коэффициент насыщения ( S ≥ 1); I í , E – ток нагрузки и напряжение питания соответственно.

Следует отметить, что на коэффициент β сильно влияет температура и ток коллектора. При увели- чении температуры транзистора значение β может возрастать в несколько раз. В области малых и больших значений тока I C (рис. 7.29) β обычно уменьшается.

Значение коэффициента S не оказывает сильного влияния на статические ВАХ. При увеличении S незначительно снижается падение напряжения на открытом транзисторе. Однако в динамических режимах коэффициент S существенно влияет на быстродействие переключения транзистора из одного состояния в другое.

Типичные входные статические ВАХ i B = f ( u BE ) приведены на рис. 7.30. В расчетах ВАХ аппроксимируется кусочно-линейной характеристикой. Зеркальная ВАХ нагрузки, характеризующая общее эквивалентное сопротивление цепи, соединяющей источник управления током базы U ó и вывод базы R B, позволяет определить ток базы. Его значение соответствует точке пересечения ВАХ перехода эмиттер-база и зеркальной характеристики эквивалентного сопротивления.

Таким образом, в электронных аппаратах биполярный транзистор используется как полупроводниковый полностью управляемый ключ. Как правило, он включается в цепь нагрузки по схеме с общим эмиттером и управляется током базы i B .

§ 7.3. Силовые транзисторы

Åñëè i B = 0, то транзистор находится в состоянии низкой проводимости (состояние отсечки, зона C íà ðèñ. 7.28), åñëè i B > I B sat (1.36), то транзистор находится в состоянии высокой проводимости (состояние насыщения, зона A íà ðèñ. 7.28).

МОП-транзистор с каналом n -типа , включенный по схеме с общим истоком представлен на рис. 7.31. Управление транзистором осуществляется подачей напряжения u GS на его затвор. Очень высокое входное сопротивление полевых транзисторов делает практически нецелесообразным использование входной ВАХ, аналогичной ВАХ биполярного транзистора. Поэтому часто при расчетах режимов работы полевых транзисторов используют проходные ВАХ, связывающие напряжение u GS с током стока i D . Характер проходных ВАХ зависит от типа полевого транзистора. На рис. 7.32 представлены проходные ВАХ для МОП-транзистора с индуцированным ( 1 ) и встроенным ( 2 ) каналами n -òèïà.

В транзисторе с индуцированным каналом ток i D увеличивается, если значение напряжения u GS становится больше определенного порогового значе- ния напряжения U th , и начинает образовываться электропроводящий канал. Далее по мере увеличе- ния u GS и, следовательно, обогащения его канала ток i D растет.

При встроенном канале МОП-транзистор может работать как в режиме обогащения, так и обеднения канала носителями электрических зарядов. Когда напряжение U GS = 0, через транзистор со встроенным каналом протекает определенный ток стока i D , что соответствует открытому (включенному) состоянию. Если u GS > 0, то происходит обогащение канала и ток i D растет, а при u GS < 0, уменьшается из-за обеднения канала. Существует определенное отрицательное значение U GS = U th (для транзисторов с каналом n -типа), при котором ток i D становится равным нулю.

Рис. 7.31. Схема включения МОП транзистора с каналом n -òèïà

Рис. 7.32. Статические проходные ВАХ МОП транзистора с каналом n -òèïà

Рис. 7.33. Статические выходные ВАХ и нагрузочная характеристики МОП-транзистора

Гл. 7. Силовые электронные ключи

Статические выходные ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 7.33. В этих характеристиках имеется крутой участок, соответствующий резкому увеличению тока i D при увеличении напряжения стока u DS . Далее рост тока i D замедляется, что соответствует пологим участкам ВАХ. Это происходит из-за обеднения канала под воздействием напряжения u DS . Из рисунка видно, что выходные ВАХ МОП-транзистора и биполярного транзисторов сходны. Принципиальное отличие заключается в том, что биполярные управляются током базы, а МОП-транзисторы – напряжением. Кроме того, крутые участки ВАХ МОП-транзисторов имеют более линейный характер, соответствующий резисторному сопротивлению. Поэтому в области крутых участков, ВАХ МОП-транзисторов аппроксимируется постоянным активным сопротивлением

Область ВАХ с крутыми участками соответствует открытому состоянию транзистора. Закрытое состояние наступает при u GS < U th , когда ток i D уменьшается до некоторого малого остаточного значе- ния. Этот режим называется режимом отсечки. Пологие участки ВАХ соответствуют активному режиму. Граница перехода из активного состояния в полностью открытое состояние определяется геометрическим местом точек с напряжением определяемым соотношением

U DS sat = | U GS − U th | .

На рис. 7.33 также представлено зеркальное отображение нагрузочной характеристики, зависящей от сопротивления R í . Точки пересечения ВАХ и нагрузочной характеристики определяют режим работы транзистора, т. е. значения тока i D и напряжения u DS . В ключевом режиме работы эти значения находятся на границах областей полностью открытого состояния (точка а) или отсечки (точка á ).

При построении ВАХ МОП-транзисторов со встроенным каналом необходимо учитывать, что напряжение на затворе в режиме отсечки имеет разный знак в зависимости от типа проводимости канала.

СИТ-транзисторы являются полевыми транзисторами и управляются напряжением. Главным отличием статических ВАХ СИТ-транзисторов является практическое отсутствие пологого участка ВАХ. На рис. 7.34 представлено семейство выходных ВАХ СИТ-транзистора. При нулевом напряжении на затворе u GS транзистор находится в открытом состоянии и с увеличением напряжения u DS òîê i D увеличивается без ограничения характерного для МОП-транзисторов, ВАХ которых имеют пологий участок. Управление транзистором осуществляется

Рис. 7.34. Статические выходные ВАХ СИТ-транзистора

Рис. 7.35. Статические выходные ВАХ БТИЗ транзистора

подачей обратного напряжения на управляющий p-n -переход, что приводит к обеднению канала транзистора носителями электрических зарядов. При определенном значении управляющего напряжения транзистор переходит в режим отсечки. Запирающее напряжение u GS определяется напряжением u DS . В результате с ростом напряжения u GS ВАХ сдвигаются вправо. Отсутствие пологих участков в ВАХ свидетельствуют о низком выходном сопротивлении СИТ-транзистора в широком диапазоне рабочих токов. В то же время в полностью открытом состоянии сопротивление СИТ-транзис- тора велико по сравнению с сопротивлением открытого МОП-транзистора.

Выходные ВАХ транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) подобны ВАХ биполярных транзисторов за исключением того, что управление выходным током i C осуществляется напряжением u GE , а не током базы (рис. 7.35). Кроме того, БТИЗ способны выдерживать в закрытом состоянии без пробоя значительное обратное напряжение [74].

§ 7.3. Силовые транзисторы

7.3.3. БЫСТРОДЕЙСТВИЕ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного для каждого типа транзистора времени. Инерционность переходных процессов обусловлена инерционностью процессов изменения носителей электрических зарядов в структуре транзистора и наличием в ней внутренних (собственных) емкостей. На рис. 7.36, à представлена схема замещения биполярного транзистора, учитывающая емкости, именуемые иногда паразитными”.

” В §7.1 было показано, что на динамические режимы работы ключей влияют как их собственное быстродействие, так и параметры внешней цепи, в которой происходит коммутация. В данном слу-

чае рассматриваются процессы, обусловливающие быстродействие биполярных транзисторов как ключевых приборов. Для качественной оценки принимается допущение об активном характере нагрузки.

Включение биполярного транзистора. Предположим, что транзистор при t < t 0 находится в режиме

отсечки (выключен), и в момент времени t = t 0 (ðèñ.

7.37, á ) в базу транзистора от источника тока управления поступает импульс тока с идеально крутым

фронтом и значением I B > I B sat , ãäå I B sat – гранич- ное значение тока базы при нагрузке коллектора R í . Так как напряжение на входной емкости C BE не может измениться скачком, начинается процесс

Рис. 7.36. Динамические процессы в биполярном транзисторе: à – схема замещения; á – диаграммы процессов

Гл. 7. Силовые электронные ключи

ее заряда до напряжения U BE sat ≈ 0,5 ч 0,6 В (для кремниевых транзисторов), при котором начинается увеличение тока базы непосредственно в структуре транзистора. Этот интервал времени ( t 0 − t 1 ),

называемый задержкой на включение , может быть определен

t don = t 1 − t 0 ≈

Ïðè t = t 1 начинается процесс накопления суммарного электрического заряда в базе, что соответствует активному режиму работы транзистора. Характеристика этого процесса имеет экспоненциальный характер [81]

Q ( t ) ≈ τ B I B ( 1 − e − t ⁄ τ B ) ,

ãäå τ B = β ⁄ (2π f ãð ); f ãð – граничная частота транзистора в схеме с общим эмиттером.

В момент времени t = t 2 заряд Q достигает граничного значения Q sat , соответствующего на-

ступлению режима насыщения. При этом дальнейший рост тока коллектора I C практически прекращается, а накопление избыточного заряда ∆ Q в базе будет продолжаться до момента времени t = t 3 . Этот заряд зависит от коэффициента насыщения S

∆ Q = τ B I B sat ( S − 1) .

Ïðè I B >> I B sat время нарастания тока коллектора I C , называемое также фронтом включения транзистора t ri , можно приближенно определить

t ri = t 2 − t 1 ≈ τ B ⁄ S .

Общее время включения t on транзистора будет определяться

t on = t don + t ri .

Если учесть инерционность, создаваемую выходной емкостью транзистора C CB , окончательный спад напряжения U CE будет происходить несколько позже.

Рис. 7.37. Динамические процессы в МОП транзисторе: à – схема замещения; á – диаграммы процессов

§ 7.3. Силовые транзисторы

Выключение биполярного транзистора. Предположим, что в момент времени t = t 4 в базу насыщенного транзистора поступает отрицательный (запирающий) импульс тока – I B 2 . Под воздействием этого тока начнется интенсивное рассасывание избыточного заряда ∆ Q до значения суммарного за-

ðÿäà Q = Q sat. В этот момент времени ( t = t 5 ) транзистор начинает выходить из насыщения.

Общее время рассасывания избыточного заряда соответствует времени задержки на выключение t doff. Ïðè I B 2 >> I B 1 >> I B sat эта задержка может быть определена

t doff ≈ τ B I B 1 ⁄ I B 2 .

Длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т. е. длительность фронта выключения приближенно определяется [81]

Общее время выключения

транзистора t off =

= t doff + t fi. Восстановление выходного напряжения U CE закончится несколько позднее момента, когда ток I C станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистора.

Из приведенных соотношений следует, что на быстродействие биполярного транзистора существенное влияние оказывают коэффициент насыщения S и токи управления, поступающие в базу.

Включение МОП-транзистора. Отсутствие явлений накопления и рассасывания носителей обусловливает высокое быстродействие всех полевых транзисторов. Однако из-за конструктивных особенностей значения собственных межэлектродных емкостей в этих транзисторах больше чем у биполярных. На рис. 7.37, à приведена схема замещения МОП-транзистора, учитывающая его межэлектродные емкости. Предположим, что МОП-транзистор находится в состоянии отсечки (закрыт). В момент времени t = t 0 (ðèñ. 7.37, á ) на его затвор подается сигнал управления от источника напряжения U ó с внутренним сопротивлением R ó . В результате на- чинается заряд входной емкости, которая при R ó >> R í может быть определена

C iss ≈ C GD + C GS .

При достижении напряжением на затворе транзистора порогового значения U t í в момент времени ( t = t 1 ) транзистор выходит из режима отсечки, и начинается спад напряжения сток – исток U DS . Интервал времени t 1 – t 0 соответствует времени задержки на включение транзистора t don . Дальнейшee увеличение напряжения U GS приводит транзистор в момент времени t = t 2 в открытое состояние. Этот интервал времени соответствует фронту включения транзистора t ri . Общее время

включения t on = t don + t ri . Очевидно, что при вклю- чении МОП-транзистора главным фактором, опре-

деляющим быстродействие транзистора, будет скорость заряда входной емкости C iss . Эта скорость, в свою очередь, будет определяться параметрами источника сигналов управления. Поэтому в целях повышения быстродействия часто используют форсированное включение МОП-транзистора от источника тока на начальном интервале включения с последующим поддержанием необходимого сигнала управления от источника напряжения малой мощности (см. § 9.6).

Выключение МОП-транзистора. При скачкообразном изменении сигнала управления до нуля в момент времени t = t 3 начинается выключение транзистора (рис. 7.37, á ). Вначале также будет иметь место интервал задержки t 3 – t 4, пока напряжение на затворе не достигнет граничного значения U th , при котором транзистор переходит в активный режим. Дальнейший спад напряжения на затворе в момент времени t = t 5 приводит транзистор в режим отсечки, т. е. в выключенное состояние. Интервал времени t 4 – t 5 соответствует фронту выключения транзистора, общее время которого t off = t doff + + t fi . На длительность нарастания напряжения U SD могут оказывать заметное влияние выходная емкость транзистора C DS и сопротивление нагрузки R í .

Динамические характеристики СИТ- и МОПтранзисторов во многом сходны. Различие определяется значениями межэлектродных емкостей. Для СИТ-транзисторов характерны малая длина прово-

Ube транзистора что это

ОБОЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ (ГОСТ 20003-74)

* Примечание. Частота, равная произведению модуля коэффициента передачи тока на частоту измерения, которая находится в диапазоне частот, где справедлив закон изменения модуля коэффициента передачи тока 6 дБ на октаву

Как работают полевые транзисторы упрощенное объяснение схем электронных ключей, регуляторов тока, усилителей в

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

• выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
• ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 — 20 В — подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это — подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов — если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 — 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER — UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

• Icmax — максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
• bMIN — минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
• USTER — базовое управляющее напряжение от цепи управления.
• UBE — напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
• k — коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль — ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 — 100 Ом.

Pnp транзистор в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Поймем вместе принципы работы транзистора

Транзисторы являются активными компонентами и используются повсеместно в электронных цепях в качестве усилителей и коммутационных устройств (транзисторных ключей). Как усилительные приборы они применяются в приборах высокой и низкой частоты, генераторах сигналов, модуляторах, детекторах и многих других цепях. В цифровых схемах, в импульсных блоках питания и управляемых электроприводах они служат в качестве ключей.

Биполярные транзисторы

Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.

Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.

Как устроен биполярный транзистор?

Принципы работы транзистора нужно изучать, начиная с его устройства. Рассмотрим структуру npn-транзистора, которая изображена на рис.ниже.

Как видим, он содержит три слоя: два с проводимостью n-типа и один – p-типа. Тип проводимости слоев определяется степенью легирования специальными примесями различных частей кремниевого кристалла. Эмиттер n-типа очень сильно легирован, чтобы получить множество свободных электронов как основных носителей тока. Очень тонкая база p-типа слегка легирована примесями и имеет высокое сопротивление, а коллектор n- типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое сопротивление.

Принципы работы транзистора

Лучшим способом познакомиться с ними является экспериментальный путь. Ниже приведена схема простой цепи.

Поверните движок потенциометра в крайнее нижнее положение. Это понизит напряжение на базе (между базой и землёй) до нуля вольт (U_BE = 0). Лампа не светится, что означает отсутствие тока через транзистор.

Если теперь поворачивать рукоятку от ее нижней позиции, то U_BE постепенно увеличивается. Когда оно достигает 0,6 В, ток начинает втекать в базу транзистора, и лампа начинает светиться. Когда рукоятка сдвигается дальше, напряжение U_BE остается на уровне 0,6 В, но ток базы увеличивается и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если рукоятка сдвинута в верхнее положение, напряжение на базе будет немного увеличено до 0,75 В, но ток значительно возрастет и лампа будет светиться ярко.

А если измерить токи транзистора?

Если мы включим амперметр между коллектором (C) и лампой (для измерения I_C), другой амперметр между базой (B) и потенциометром (для измерения I_B), а также вольтметр между общим проводом и базой и повторим весь эксперимент, мы сможем получить некоторые интересные данные. Когда рукоятка потенциометра находится в его низшей позиции, U_BE равно 0 В, также как и токи I_C и I_B. Когда рукоятку сдвигают, эти значения растут до тех пор, пока лампочка не начинает светиться, когда они равны: U_BE = 0.6 В, I_B = 0,8 мА и I_C = 36 мА.

В итоге мы получаем от этого эксперимента следующие принципы работы транзистора: при отсутствии положительного (для npn-типа) напряжения смещения на базе токи через его выводы равны нулю, а при наличии напряжения и тока базы их изменения влияют на ток в цепи коллектор — эмиттер.

Что происходит при включении питания транзистора

Во время нормальной работы, напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер, распределяется так, что потенциал базы (p-типа) приблизительно на 0,6 В выше, чем у эмиттера (n-типа). При этом к данному переходу приложено прямое напряжение, он смещен в прямом направлении и открыт для протекания тока из базы в эмиттер.

Гораздо более высокое напряжение приложено к переходу база-коллектор, причем потенциал коллектора (n-типа) оказывается более высоким, чем у базы (p-типа). Так что к переходу приложено обратное напряжение и он смещен в обратном направлении. Это приводит к образованию довольно толстого обедненного электронами слоя в коллекторе вблизи базы, когда к транзистору прикладывается напряжение питания. В результате ток через цепь коллектор-эмиттер не проходит. Распределение зарядов в зонах переходов npn-транзистора показан на рисунке ниже.

Какова роль тока базы?

Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток I_BE. Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.

Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.

Типы полевых транзисторов

По английски они обозначаются FETs — Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Устройство полевого транзистора

Все полевые транзисторы могут быть названы УНИПОЛЯРНЫМИ приборами, потому что носители заряда, которые образуют ток через них, относятся к единственному для данного транзистора типу – либо электроны, либо «дырки», но не оба одновременно. Это отличает принцип работы транзистора полевого от биполярного, в котором ток образуется одновременно обоими этими типами носителей.

Носители тока протекают в полевых транзисторах с управляющим pn-переходом по слою кремния без pn-переходов, называемому каналом, с проводимостью либо n-, либо p-типа между двумя выводами, именуемыми «истоком» и «стоком» – аналогами эмиттера и коллектора или, точнее ,катода и анода вакуумного триода. Третий вывод – затвор (аналог сетки триода) – присоединен к слою кремния с другим типом проводимости, чем у канала исток-сток. Структура такого прибора показана на рисунке ниже.

Как же работает полевой транзистор? Принцип работы его заключается в управлении поперечным сечением канала путем приложения напряжения к переходу затвор-канал. Его всегда смещают в обратном направлении, поэтому транзистор практически не потребляет тока по цепи затвора, тогда как биполярному прибору для работы нужен определенный ток базы. При изменении входного напряжения область затвора может расширяться, перекрывая канал исток-сток вплоть до полного его закрытия, управляя таким образом током стока.