Лекция 4. Транзисторы. 4 часа.

ЛЕКЦИЯ 4. ТРАНЗИСТОРЫ. 4 часа.

Определения

Транзистор полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов, а также для использования в качестве электронного ключа. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схемах, где их размеры в настоящее время не превышают 5 - 10 нм.

Существует две разновидности транзисторов, сильно различающиеся по устройству и принципам действия:

Биполярные транзисторы – приборы на основе двух p/n – переходов и трёх выводов. Управляются входным током.

Полевые транзисторы, которые в свою очередь делятся на канальные и транзисторы метал –диэлектрик полупроводник (МДП - транзисторы или метал – окисел кремния –полупроводник (МОП – транзисторы). Управляются входным напряжением.

 

Биполярный транзистор (БПТ)

Схемы включения БПТ

На рисунке 5 транзистор включён таким образом, что входным является ток эмиттера, а бволд базы является общим для взолдного и выходного контуров.Поэтому такая схема включения называется схемой с общей базой (ОБ).

 

 

Рис. 5. Схема включения транзистора с ОБ

 

В этой схеме практически весь ток эмиттера передаётся в коллектор. Коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора (обозначается α (альфа) достигает α=0.99-0.999. А это значит ток базы равен 0.01 – 0.001 от тока эмиттера и коллектора.

И если сделать схему, в которой входным будет ток базы, а выходным – ток коллектора, то мы получим усиление тока, равное α/(1-α) = β (бэтта), причем, [β>>1]. Т.е. усиление по мощности схемы будет значительно выше, чем в схеме с ОБ.

 

 

Рис. 6. Схема включения транзистора с ОЭ

 

Схема на рисунке 6 называется схемой с общим эмиттером –(ОЭ) и является основой для построения усилительных схем на БПТ.

Приведём входную и выходную характеристики БПТ в качестве иллюстрации вышесказанного.

 

 

Рис.7. ВАХ маломощного БПТ МП114, включённого по схеме с ОБ.

 

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Новые виды транзисторов

Достоинства

БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

· высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором;

· низкое значение остаточного напряжения во включённом состоянии — от биполярных транзисторов;

· малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;

· характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;

· управление как у МДП -транзисторов— напряжением.

Диапазон использования от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

Применение

Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы (например, вентильно – индукторные).

Широкое применение БТИЗ нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT-модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGB-транзисторы используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

Транзистор Шоттки

Транзистор Шоттки — электронный компонент, представляющий собой комбинацию из биполярного транзистора и диода Шоттки.

Устройство

Транзистор Шоттки получается подключением диода Шоттки между базой и коллектором биполярного транзистора, причём для создания n-p-n транзистора Шоттки к биполярному n-p-n транзистору подключается диод Шоттки анодом к базе, а катодом к коллектору, а p-n-p транзистор Шоттки - подключением к биполярному p-n-p транзистору диода Шоттки катодом к базе и анодом к коллектору.

Диод Шоттки, благодаря своим свойствам обладает меньшим падением напряжения между анодом и катодом в открытом состоянии по сравнению с кремниевым диодом (0,2-0,3 В против 0,5-0,7 В) и его включение между базой и коллектором биполярного транзистора препятствует вхождению в насыщение в открытом состоянии - фактически здесь диод Шоттки осуществляет отрицательную обратную связь (ООС): чем сильнее открывается транзистор, тем больше уменьшается потенциал коллектора относительно земли и относительно базы, при этом увеличивается ток, протекающий через диод Шоттки, отводя базовый ток на землю и фиксируя напряжение база-коллектор на уровне 0,2-0,3 В, в открытом состоянии транзистор Шоттки находится в промежуточной области между активным режимом и насыщением, таким образом препятствуя двойной инжекции и накоплению зарядов, исключая задержку во времени, связанную с рассасыванием избыточных носителей при переключении из открытого в закрытое состояние. Кроме того, сам диод Шоттки имеет высокое быстродействие при переходе из открытого в закрытого состояние, поскольку в нём нет процессов накопления носителей и все процессы не связаны с диффузией, а обусловлены только дрейфом в электрическом поле. В закрытом состоянии транзистора напряжение анод-катод диода смещает последний в обратное направление и никак не влияет на работу транзистора.

Обозначение на схемах

Рис. 29. Обозначение на электрических принципиальных схемах бескорпусного транзистора Шоттки n-p-n типа

 

Транзистор Шоттки на электрических принципиальных схемах имеет самостоятельный символ, который используют обычно вместо комбинации обозначений биполярного транзистора и диода Шоттки.

Применение

Транзисторы Шоттки применяются в микросхемах транзисторно-транзисторной логики Шоттки (ТТЛШ), благодаря блокировки накопления неосновных носителей заряда в базовом слое транзисторов в режиме насыщения, быстродействие ТТЛШ гораздо выше традиционной транзистор-транзисторной логике (ТТЛ)

 

 

Рис. 30. Схема инвертора на основе обычного БПТ и диода Шоттки а), и схема на основе транзистора Шоттки б)

 

ЛЕКЦИЯ 4. ТРАНЗИСТОРЫ. 4 часа.

Определения

Транзистор полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов, а также для использования в качестве электронного ключа. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схемах, где их размеры в настоящее время не превышают 5 - 10 нм.

Существует две разновидности транзисторов, сильно различающиеся по устройству и принципам действия:

Биполярные транзисторы – приборы на основе двух p/n – переходов и трёх выводов. Управляются входным током.

Полевые транзисторы, которые в свою очередь делятся на канальные и транзисторы метал –диэлектрик полупроводник (МДП - транзисторы или метал – окисел кремния –полупроводник (МОП – транзисторы). Управляются входным напряжением.

 

Биполярный транзистор (БПТ)