Принцип дії польового транзистора

Докладніше у статті польовий транзистор

В польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровіднику в проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду, й вона не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує область збіднення, в якій теж немає носії заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Таким чином ширина каналу обмежена простором між підкладкою та областю збіднення. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину області збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.

Перший патент на польовий транзистор отримав у 1925 році в Канаді уродженець Львова Юліус Едгар Лілієнфельд^[1], однак він не опублікував жодних досліджень, пов'язаних із своїм винаходом. У 1934 році німецький фізик Оскар Гайль запатентував ще один польовий транзистор^[2]. У 1947 році Джон Бардін та Волтер Браттейн із AT&T Bell Labs відкрили ефект підсилення в кристалі германію. Вільям Шоклі побачив у цьому явищі значний потенціал. Завдяки своїй роботі над новим явищем він може вважатися батьком транзистора. Термін «транзистор» запропонував Джон Пірс.

у 1956 році Бардін, Шоклі і Браттейн отримали за винахід транзистора Нобелівську премію.

Перший кремнієвий транзистор виготовили в Texas Instruments у 1954^[3]. Це зробив Гордон Тіл, фахівець із вирощування кристалів високої чистоти, який раніше працював у Bell Labs^[4]. Перший МОН-транзистор зробили Канг та Аталла в Bell Labs у 1960^[5].

У 50-х та 60-х роках 20 ст. транзистори швидко витіснили вакуумні лампи майже з усіх областей застосування, завдяки своїй компактності, технологічності, довговічності та можливості інтегрування у великі й надвеликі електронні схеми.

[ред.] Різновиди

	PNP		P-канальний
	NPN		N-канальний
Біполярні		Польові

Позначення біполярних та польових транзисторів

				P-канальний
				N-канальний
Польові	Метал-оксидні збагачення	Метал-оксидні збіднення

Позначення різних типів польових транзисторів

Окрім поділу на біполярні та польові транзистори, існує багато різних типів, специфічних за своєю будовою.

Біполярні транзистори розрізняються за полярністю: вони бувають p-n-p та n-p-n типу. Середня літера в цих позначеннях відповідає типу провідності матеріалу бази.

Польові транзистори розрізняються за типом провідності в каналі: на p-канальні (основний тип провідності — дірковий) та n-канальні — основний тип провідності електронний.

Серед польових транзисторів найпоширеніші транзистори типу метал-оксид-напівпровідник, які можуть використовувати або область збагачення або область збіднення. Свою назву МДН-транзистор (метал-діелектрик-напівпровідник) отримав завдяки тому, що в ньому металевий затвор відділений від напівпровідника шаром діелектрика. Для транзисторів на основі кремнію цим діелектриком є діоксид кремнію, що технологічно утворюється при вибірковому окисленні напівпровідника.

Своєрідним гібридом біполярного та польового транзистора є IGBT-транзистор (анг. Isolated Gate Bipolar Transistor — біполярний транзистор із ізольованим переходом), що зараз широко використовується в силовій електроніці.

У флеш-пам'яті використовуються польові транзистори з плавни́м затвором — ізольованою діелектриком провідною областю всередині каналу, яка може захоплювати носії заряду й зберігати їх, таким чином створюючи можливість для запису й зчитування інформації.

Транзистори розрізняються також за матеріалом, за максимальною потужністю, максимальною частотою, за призначенням, за типом корпуса.

Найпоширеніший напівпровідниковий матеріал для виробництва транзисторів — кремній. Використовуються також германій, арсенід галію та інші бінарні напівпровідники.

[ред.] Характеристики

Сімейство вольт-амперних характеристик для МОН-транзистора. Кожна крива показує залежність струму між витоком і стоком, в залежності від напруги між цими двома електродами, для різних значень напруги між витоком і затвором

Оскільки транзистор має три електроди, то для кожного із струмів через два електроди транзистора, існує сімейство вольт-амперних характеристик при різних значеннях напруги на третьому електроді, або струму, який протікає через нього.

У багатьох застосуваннях важливі частотні характеристики транзисторів — швидкість перемикання між різними станами.

[ред.] Застосування

Транзистор має два основні застосування: у якості підсилювача і у якості перемикача.

Підсилювальні властивості транзистора зв'язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. Таким чином малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.

Використання транзистора у якості перемикача пов'язане з тим, що приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами, що називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.

[ред.] Корпусування й монтаж

Корпуси транзисторів виготовляються з металу, кераміки або пластику. Для транзисторів великої потужності необхідно додаткове охолодження.

Транзистори монтуються на друкованих платах за технологією «через отвір», або за технологією поверхневого монтажу. При технології «через отвір», виводи транзисторів вставляються в попередньо просвердлені в платі отвори. Корпуси транзисторів стандартизовані, але послідовність виводів ні, вона залежить від виробника.

 

 

Поскольку транзистор имеет три вывода (эмиттер, база, коллектор), а два источника питания имеют четыре вывода, то обязательно один из выводов транзистора будет общим для обоих источников, т. е. одновременно будет принадлежать и входной цепи и выходной. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

 

3.3.1. Схема с общей базой

3.3.2. Схема с общим эмиттером

3.3.3. Схема с общим коллектором

3.3.1. Схема с общей базой

Рассмотренный выше пример построения усилителя электрических сигналов с помощью транзистора является схемой включения с общей базой. На рис. 3.5. приведена электрическая принципиальная схема включения транзистора с общей базой.

Рис. 3.5. Включение транзистора по схеме с общей базой

Основные параметры, характеризующие эту схему включения получим следующим образом:

1. Коэффициент передачи по току:

.

(3.3)

2. Входное сопротивление:

.

(3.4)

Из (3.4) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n -перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы – десятки . Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала.

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(3.5)

Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки и входным сопротивлением.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(3.6)

Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.

 

3.3.2. Схема с общим эмиттером

В этой схеме, (рис. 3.6), по-прежнему источник входного сигнала включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу, и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала в базовой цепи протекает ток ; происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора , который протекает под действием источника питания через эмиттер и базу. Поэтому:

.

(3.7)

Рис. 3.6. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Входным током является ток базы , а выходным – ток коллектора . Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении нагрузки . Основные параметры, характеризующие эту схему включения определим из выражений:

1. Коэффициент усиления по току:

,

(3.8)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера , получим:

.

(3.9)

Из (3.9) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц.

2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:

,

(3.10)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера , получим:

.

(3.11)

Отсюда следует, что: , т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни – единицы .

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(3.12)

Подставляя сюда из (3.10), получим:

,

(3.13)

т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – и составляет десятки – сотни единиц.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(3.14)

Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).

 

3.3.3. Схема с общим коллектором

Исходя из принятых отличительных признаков схема включения транзистора с общим коллектором должна иметь вид (рис. 3.7). Однако в этом случае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-за ряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме (рис. 3.7, а) просто механически меняют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальное включение транзистора (рис. 3.7, б). В этой схеме сопротивление нагрузки включено во входную цепь; входным током является ток базы ; выходным током является ток эмиттера .

Основные параметры этой схемы следующие:

1. Коэффициент усиления по току:

.

(3.15)

Рис. 3.7. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера , получим:

,

(3.16)

т. е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером:

.

2. Входное сопротивление:

.

(3.17)

Преобразуя это выражение, получим:

.

(3.18)

Из (3.18) следует, что входное сопротивление в этой схеме включения оказывается наибольшим из всех рассмотренных схем (десятки – сотни ).

3. Коэффициент усиления по напряжению:

.

(3.19)

Преобразуем это выражение с учетом выражений (3.16) и (3.18):

.

(3.20)

Поскольку представляет собой очень малую величину, то можно считать, что , т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет.

4. Коэффициент усиления по мощности:

,

(3.21)

на практике он составляет десятки – сотни единиц.

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине () и по фазе.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем.

Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства.

Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала.

Таблица 3.2.

Параметры схем включения биполярного транзистора

 

26.Припущення, які приймаються при аналізі схем перетворювачів.

 

27.Загальні поняття про випрямлячі (класифікація, типові структури та ін..)

Ви́прямлення — перетворення змінного струму у постійний. Для випрямлення використовуються електричні пристрої, які пропускають струм тільки в одному напрямку — вентилі або діоди.

Випрямляч електричної енергії - механічний, електровакуумний, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм.

Пристрій, що виконує зворотну функцію - перетворення постійних напруги і струму в змінні напруг і струмів - називається інвертором. По принципу оборотності електричних машин випрямляч і інвертор є двома різновидами однієї і тієї ж електричної машини (справедливо тільки для інвертора на базі електричної машини - двомашинного агрегату).

[ред.] Типи випрямлячів

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

• по виду перемикача випрямляємо струму
• механічні синхронні з щіточноколекторним комутатором струму;
• механічні синхронні з контактним перемикачем (випрямлячем) струму;
• з електронною керованою комутацією струму (наприклад, тиристорні);
• з електронною пасивної комутацією струму (наприклад, діодні);
• за потужністю
• силові випрямлячі;
• випрямлячі сигналів;
• за рівнем використання напівперіодів змінної напруги
• однопівперіодні - пропускають в навантаження тільки одну півхвилю [6];
• двухполуперіодні - пропускають в навантаження обидві напівхвилі;
• неполноперіодні - не повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
• повноперіодні - повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
• за схемою випрямлення - мостові, з множенням напруги, трансформаторні, з гальванічною розв'язкою, бестрансформаторних тощо;
• за кількістю використовуваних фаз - однофазні, двофазні, трифазні і багатофазні;
• за типом електронного вентиля - напівпровідникові діодні, напівпровідникові тиристорні, лампові діодні (кенотрони), газотрони, ігнітронние, електрохімічні і ін;
• по керованості - некеровані (діодні), керовані (тиристорні);
• за кількістю каналів - одноканальні, багатоканальні;
• за величиною випрямленої напруги - низьковольтні (до 100В), средневольтовие (від 100 до 1000В), високовольтні (понад 1000В);
• за призначенням - зварювальний, для живлення мікроелектронної схеми, для живлення лампових анодних ланцюгів, для гальваніки і пр.;
• за ступенем повноти мостів - полномостовие, полумостовим, четвертьмостовие;
• по наявності пристроїв стабілізації - стабілізовані, нестабілізована;
• за управлінням вихідними параметрами - регульовані, нерегульовані;
• за індикацією вихідних параметрів - без індикації, з індикацією (аналогової, цифрової);
• за способом з'єднання - паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;
• за способом об'єднання - роздільні, об'єднані зірками, об'єднані кільцями;
• за частотою випрямляємо струму - низькочастотні, середньочастотні, високочастотні.

[ред.] Схемотехнічні рішення

[ред.] Напівперіодний випрямляч

На рисунку показана схема й принцип дії напівперіодного випрямляча. Використовуючи односторонню провідність напівпровідникового діода, струм у зворотному напрямку відтинається. Недоліком даної схеми є втрата потужності.

[ред.] Двоперіодний випрямляч

Недоліком цієї схеми є неповне використання трансформатора - в кожен момент часу працює лише одна половина вторинної обмотки.

[ред.] Місткова схема

Для збільшення потужності випрямленого струму використовується місткова схема. Чотири діоди під'єднані таким чином, що під час половини періоду працюють лише два з них, а під час наступної половини — два інші, даючи корисний струм в тому ж напрямку.

[ред.] Фільтрація

Більшість випрямлячів створює не постійні, а пульсуючі односпрямовані напругу і струм, для згладжування пульсацій яких застосовують низькочастотні фільтри.

[ред.] Області використання

Застосування випрямлячів в блоках живлення радіо-і електроапаратури обумовлено тим, що зазвичай у системах електропостачання будівель або транспортних засобів (літаків, поїздів) застосовується змінний струм, і вихідний струм будь-якого електромагнітного трансформатора, застосованого для гальванічної розв'язки ланцюгів або для зниження напруги, завжди змінний, тоді як у більшості випадків електронні схеми і електродвигуни цільової апаратури розраховані на харчування струмом постійної напруги.

У зварювальних апаратах постійного струму застосовуються найчастіше мостові схеми на потужних кремнієвих випрямних діодах - вентилях, з метою отримання постійного зварювального напруги та струму. Він відрізняється від змінного тим, що при використанні його сильніше нагрівається область дуги близько позитивного (+) її полюси, що дозволяє або здійснювати щадну зварювання деталей, що зварюються переважно плавиться зварювальним електродом, або заощаджувати електроди, здійснюючи різання металу електродуговим зварюванням.

28. Однофазні схеми випрямлення при живленні активного навантаження.

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.
В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.
Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).
Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.
Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.
Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.
На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 U_max

где: π - константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.
Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.
Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R_н, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».
Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.
Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.
Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = 2*U_max / π = 0,636 U_max

где: π - константа равная 3,14.

Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго - положительный):

 

30.Схеми керованих випрямлячів.