Часть1 (1028410), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Однако, при приближении к предельному обратному напряжению, которое называют напряжением пробоя он резко возрастает, и, если его не ограничить, приборвыйдет из строя. На обратной ветви вольтамперной характеристики работают полупроводниковые стабилитроны, используемые для получения стабильного опорного напряжения.Биполярный транзистор. Двойной p-n переход превратил диод из пассивного прибора в биполярный транзистор, усилитель тока. Типовая топология биполярного транзистораприведена на рис.2.2, а).
На поверхности кремниевой пластины 1 сформирована n-область,являющаяся коллектором, на ней – р-область, являющаяся базой. Внутри базы полупроводник снова перелегирован в nобласть. Это эмиттер транзистора. Пластина окислена (слой2) и на окисел нанесены токопроводящие дорожки 3 (обычно алюминий) толщиной порядка микрометра. В зоне базыи коллектора для полученияРис.
2.3. Типовая топология биполярного транзистора (а) инадежного омического контакего схемотехническое обозначение: б) n-p-n транзистор; в)та с алюминием полупроводp-n-p транзистор.ник дополнительно подлегирован (области p+ и n+). На рис.2.2, б) приведено схемотехническое обозначение биполярногоn-p-n транзистора, на рис. 2.2, в) - p-n-p транзистора.У n-p-n транзистора в эмиттере избыток электронов, а в базе вакансий электронов –дырок.
Электроны диффундируют из эмиттера в область базы, создавая вакансии в эмиттере,так что между базой и эмиттером возникает электрическое поле с потенциалом, препятствующем дальнейшей диффузии. Такое же явление происходит и в базово-коллекторном переходе. При наличии на базово-эмиттерном переходе напряжения, открывающего этот переход, электроны начинают поступать с эмиттера в область базы. Малая их часть рекомбинирует с вакансиями, создавая ток базы IБ. Но в основном, они, смешиваясь с электронами, по-45ступившими в базу из коллектора, формируют коллекторный ток IК, отличающийся от токаэмиттера на число рекомбинирующих в базе электронов:I К = IЭ − I Б .Различают три состояния транзистора:1) полностью закрыт (коллекторный ток менее микроампера);2) находится в активном режиме, когда ток коллектора пропорционален току базы;3) полностью открыт, или находится в режиме насыщения.В активном режиме управляемый ток коллектора IK связан с управляющим током базы IБ соотношением: I К = h21 i I Б , здесь h21 – коэффициент усиления транзистора по току.
Коэффициент усиления по току для типовых транзисторов составляет около 100. Этот параметрне очень стабилен, он зависит от температуры транзистора, напряжения между коллектороми эмиттером UКЭ. У супербетта–транзисторов коэффициент усиления по току может составлять около 1000, еще больше он у составных транзисторов или транзисторов Дарлингтона,которые мы рассмотрим в далее.В системах управления транзисторы, как отдельные компоненты, используют в основном в ключах, которые бывают или полностью закрыты, или полностью открыты, т.е., всостоянии насыщения.
На рис.2.4 показан типовой ключ на биполярном транзисторе, включающий некоторую индуктивную нагрузку RН, например, катушкуэлектромагнитного клапана.Вычислительное ядро формирует ток базы IБ ключа, приэтом фронт сигнала в типовых случаях длится менее микросекунды. Транзистор переходит в активный режим, его коллекторныйток IK растет пропорционально току базы. Падение напряжения нанагрузке возрастает пропорционально току коллектора и напряжение на коллекторе падает. На транзисторе в момент переключениярассеивается мощность, которую называют динамическими потеРис.2.4. Ключ на бирями.
Далее наступает момент, когда напряжение на коллектореполярном транзистоUК становится меньше напряжения на базе. Это и есть состояниере.насыщения биполярного транзистора. В состоянии насыщенияувеличение базового тока перестает увеличивать коллекторныйток. Напряжение на коллекторе составляет доли вольта. Так, у транзистора КТ3102 оно, приколлекторном токе в 10 мА, составляет всего 75 мВ и менее. Конечно, для силовых ключевых транзисторов и токах в несколько ампер это напряжение больше.Статический коэффициент полезного действия ключа равен отношению мощности,выделяемой в нагрузке к суммарной мощности выделяемой в ключе и нагрузке:I К (U H − U К )I (U − U К ) U H − U К= К H=.ηK =I К iU К + I К (U H − U К )I К iU HUHПри напряжении на нагрузке в 24 В, КПД ключа на биполярном транзисторе в состоянии насыщения реально составляет величину более 96%.
При увеличении напряжения питания нагрузки КПД еще более возрастает. У ключа на биполярном транзисторе три основныхнедостатка:1. Большие токи базы.2. Заметные динамические потери при переключениях.3. Неустойчивое тепловое равновесие.Обсудим их. Коэффициент усиления по току h21, как говорилось ранее, существеннозависит от тока коллектора и у силовых транзисторов в состоянии насыщения или близком кнему составляет уже величину порядка 5…20. Для повышения коэффициента усиления потоку были разработаны транзисторы Дарлингтона.Транзистор Дарлингтона представляет из себя прибор, в котором сформированыдва биполярных транзистора, включенных по схеме эмиттерного повторителя (рис.2.5).
Напринципиальных схемах такие приборы изображают как обычные биполярные транзисторы.46Коэффициент усиления по току для такой схемы будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов и составит уже в активном режиме до 10000 и более 100 в режиме насыщения.
Резистор RБ обычно встроен в схему и необходим для обеспечения линейности схемы в режиме малых токов. При этом базовый ток, открывающий второй транзистор поступает на него, минуя первый. У недорогого отечественного транзистораКТ829, выполненного по схеме Дарлингтона и рассчитанного на предельный ток в 10А, базовый ток в режиме насыщения составляет около 20 мА.Для ключа, просто включающего или отключающего какой либопривод, динамические потери несущественны. Они становятся заметнымипри переключениях на частотах в несколько десятков килогерц.
Дляуменьшения этих потерь следует применять более высокочастотные транзисторы, быстрее переходящие в режим насыщения. Здесь неоспоримоепреимущество получают полевые транзисторы, работающие на носителяхРис.2.5. Схемазаряда одного типа, особенно n, поскольку у них отсутствуют потери вретранзисторамени на рекомбинацию носителей.Дарлингтона.Рассмотрим причины неустойчивости теплового равновесия.Уравнение Эберса-Молла связывает коллекторный ток с напряжением на переходе базаэмиттер UБЭ и описывает работу транзистора в достаточно широком диапазоне напряжений,токов и температур:⎛⎞UI К = I НАС i⎜ exp( БЭ ) − 1 ⎟ ,UT⎝⎠здесь IНАС – ток насыщения (обратный ток) эмиттерного перехода, UT =KT/q – энергетический барьер для носителей заряда: K – постоянная Больцмана (К=1,38*10 -23 Дж/Кельвин), Т- абсолютная температура в Кельвинах, q – заряд электрона (q = 1,6*10 -19Кл).Реально коллекторный ток существенно больше тока насыщения эмиттерного перехоUда, поэтому: I К = I НАС iexp( БЭ ).UTКазалось бы, согласно уравнению Эберса-Молла, ток коллектора должен убывать сповышением температуры, причем экспоненциально, однако это не так.
Ток коллектора припостоянном напряжении UБЭ растет пропорционально температуре. Или, при постоянномколлекторном токе, напряжение на переходе база-эмиттер UБЭ падает практически линейно,приблизительно на 200 мВ на каждые сто градусов. Это происходит, потому что ток насыщения IНАС круто возрастает с повышением температуры, настолько круто, что компенсируетуменьшение экспоненциального члена exp(UБЭ·q/KT). Это явление приводит к неустойчивости теплового равновесия биполярного транзистора. При повышении температуры в какойлибо зоне эмиттерного перехода биполярного транзистора локально возрастает плотностьпротекающего тока в этой зоне, что приводит к еще большему разогреву рассматриваемогоучастка и может вызвать выход транзистора из строя.По этой причине, для повышения управляемого тока нельзя включать параллельнонесколько биполярных транзисторов, хотя полевые транзисторы можно включать параллельно, о чем пойдет речь позже.С неустойчивостью теплового равновесия биполярного транзистора конечно борются,в частности, в транзисторную структуру включают резистивные участки с положительнымтемпературным коэффициентом сопротивления (ТКС), поэтому рекомендуется в качествеключей для коммутации нагрузки следует применять биполярные транзисторы, рекомендованные для этих целей.
Кроме того, устойчивость теплового равновесия повышают, применяя радиаторы для охлаждения транзистора. Последовательно с нагрузкой рекомендуетсятакже включать низкоомный резистор с сопротивлением порядка 0,3 Ома и высоким положительным ТКС.47Если взять два идентичных транзистора, сформированных на одном кристалле и запитать их в десять раз различающимся коллекторным током, то согласно уравнению ЭберсаМолла для разности напряжений на переходах база-эмиттер получим:ln10i KU БЭ 2 − U БЭ1 = T= 1, 986i10−4 T , т.е. разность напряжений будет пропорциональqна абсолютной температуре.
На этом эффекте строят недорогие полупроводниковые датчикитемпературы, выходной сигнал которых при 27ºС (300К) равен 3В и имеет крутизну 10мВ/К.Полевые или униполярные транзисторы – это приборы, управляемые напряжением, а не током, в отличие от биполярных транзисторов. Хотя, строго говоря, и биполярныйтранзистор также управляется напряжением база – эмиттер, ток базы просто необходим дляотвода рекомбинировавших в области базы зарядов.Мы здесь подробнее познакомимся с работой наиболее часто применяемых в САУМОП транзисторов (металл-окисел-полупроводник или MOS – Metal-Oxide-Silicon). Этитранзисторы, также, как и биполярные, широко используются в качестве силовых ключей,аналоговых коммутаторов, кроме того, эти транзисторы в настоящее время являются основным элементом интегральной схемотехники для обработки цифровой информации.Тем, кто хочет подробнее ознакомится с различными типами полевых транзисторовможно рекомендовать обратиться к прекрасной книге [1].На рис.2.6 показана топологическая схема и схемотехнические обозначения n-МОПтранзистора.Рис.2.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
