Работа транзистор: Исследовательская работа «Применение биполярного транзистора и принцип его действия»

Использование силовых транзисторов в линейном режиме

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации в области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, — одна из самых непредсказуемых: многие простые решения проявляют себя так, что могут стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в таком режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT силовым транзисторам.

 

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными проблемами:

1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.
2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных данных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.
3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

 

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных силовых транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самой большой проблемой при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход силового транзистора из строя.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток V_GS и от порогового напряжения V_TH:

где k = (μ_eC_OZW)/2L, μ_e — подвижность электронов, C_OZ — емкость оксидного слоя затвора, W — ширина канала, L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μ_e снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение V_TH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

Чем выше значение S, тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать силовой транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения dV_ТН/dT и dk/dT всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2), можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

1. Снижение теплового сопротивления.
2. Снижение напряжения сток-исток.
3. Увеличение тока стока.
4. Снижение коэффициента передачи (а следовательно и k).
5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения dV_ТН/dT.

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции силового транзистора. Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП силовых транзисторов и большинство РЧ МОП силовых транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

На рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения, и поэтому локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи, и силовой транзистор будет температурно-устойчивым.

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

 

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT силового транзистора есть внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно, можно сделать вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

 

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям компании-производителя силового транзистора. Этот специалист может дать бесценную информацию и советы, которых нет в документации.

Второй этап — это нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, так как модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, потому что эта работа уже скорее всего была выполнена. После того как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

В таблице 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT силовым транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллекторэмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа силового транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Таблица 1. Данные по отказам силового транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE, В	IC, А	Р, Вт
500	0,227	114
450	0,25	113
400	0,338	135
350	0,413	145
300	0,473	142
250	0,565	141
200	0,68	136
150	1	150
100	1,84	184

Силовые транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса T_C во время отказа составляла около 75 °C. С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175 °C. Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На рис. 3 проиллюстрированы данные из таблицы 1, а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах T_J = 175 °C и T_C = 75 °C и 25 °C. Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур T_C = 25 °C и 75 °C). В большинстве документов публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25 °C. Если полагаться на эти данные, то окажется, что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить силовой транзистор!

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75 °C, он все равно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько силовых транзисторов, для того чтобы найти условия, вызывающие их повреждение.

На рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П силового транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125 °C (ниже температуры, при которой происходит повреждение силового транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании силового транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20 °C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принято значение 125 °C, таким образом, запас надежности составляет 50 °C относительно предельной температуры.

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Далее рассмотрим ОБР-П МОП транзистора APL502J, который был специально создан для работы в линейном режиме.

Рабочие ОБР-П силового транзистора APL502J представлены на рис. 5. По сравнению с APT200 GN60J (рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200 А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1,7 В в разогретом состоянии (1,5 В при комнатной температуре). Более надежный силовой транзистор APL502J при токе 26 A и температуре 125 °C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности, являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график, скорее всего, неадекватен линейному режиму.

 

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT силового транзистора, необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0 В до 400 В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75 °C или менее может понадобиться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (рис. 4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания рис. 4, следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0,16 A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения силового транзистора по данным из таблицы 1, таким образом, есть хороший запас надежности). При токе заряда 0,16 A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3,75 с. Ускорить заряд, конечно же, можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (то есть когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нет требований по времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения более приемлем.

Обеспечение работы силового транзистора в пределах ОБР-П для статического режима — решение только половины проблемы. Необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, так как напряжение на конденсаторной батарее возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0,16 A, 400 В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

На рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления силового транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеиваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12 °C. Если температура корпуса достигнет 75 °C, то средняя температура перехода должна приблизиться к 75 + 12 = 85 °C, что существенно меньше предельно-допустимого значения 125 °C.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может понадобиться параллельное включение силовых транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400 Вт, 400 В, 20 А и перепад напряжения при полном открытии с током 20 А не более 1 В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75 °C.

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125 °C, воспользуемся кривыми ОБР-П, они представлены на рис. 5. Сначала проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26 А) максимальное значение R_{DS (on)} силового транзистора APL502J составляет 0,090 Ом. При температуре 125 °C значение R_{DS (on)} удваивается и составляет 0,180 Ом у каждого силового транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1 В/20 A = 0,050 Ом. Теперь находим, какое минимальное число силовых транзисторов позволит выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0,180 Ом/0,050 Ом = 3,6. Следовательно, необходимо минимум 4 силовых транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа силовых транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П, определим минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении. В данном случае это 400 В. В случае применения APL502J с температурами корпуса и перехода, 75 °C и 125 °C соответственно, при напряжении 400 В максимальный ток равен 0,2 А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число силовых транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 силовых транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении силовых транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи, несомненно, привела бы к выходу из строя силовых транзисторов.

Наконец, нам осталось решить последнюю проблему при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Она связана с разбросом пороговых напряжений у однотипных силовых транзисторов. В линейном режиме силовые транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый силовой транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которое будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, так как даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах (рис. 7). Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения, в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

Для упрощения сборки и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для линейного режима, но они способны работать и в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный
резистор и датчик температуры
в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор. Тем самым транзистор минимизирует индуктивность и достигает охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

Транзисторы Linear Power MOSFET от Littelfuse – безопасная работа в активном режиме

22 марта 2022

управление питаниемLittelfuseстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Транзисторы Linear Power MOSFET производства компании Littelfuse обеспечивают безопасную работу в схемах, где требуется длительная работа в активном режиме. Благодаря использованию механизмов подавления положительной обратной связи они не склонны к саморазогреву, имеют расширенную область безопасной работы и способны рассеять больше тепла на кристалле, чем аналоги других производителей.

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) чаще всего используются в качестве коммутаторов, поэтому они работают либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. Однако в ряде узлов, например, в компенсационных стабилизаторах, усилителях класса А или электронных нагрузках их рабочая точка должна находиться на линейном участке вольт-амперной характеристики. Этот режим характеризуется одновременным наличием ненулевого тока стока и достаточно высокого напряжения между стоком и истоком, что приводит к выделению на кристалле довольно большого количества тепла.

Если кристалл транзистора разогреется до критической температуры, то в нем произойдут необратимые изменения и полупроводниковый прибор выйдет из строя. Для предотвращения этого необходимо следить за электрическими режимами работы транзистора и не допускать появления опасных термических перенапряжений. Это значит, что полупроводниковые приборы, предназначенные для работы в активном режиме, подразумевающем рассеяние на кристалле большого количества тепла, должны как минимум иметь расширенную область безопасной работы в режимах с прямым смещением (Forward-bias Safe Operating Area, FBSOA).

Давайте рассмотрим особенности нового семейства полевых транзисторов с изолированным затвором Linear Power MOSFET, специально разработанных компанией Littelfuse для узлов, требующих работы транзисторов в активных режимах. Особенностью этих приборов является расширенная область безопасной работы, достигаемая за счет подавления внутренних положительных обратных связей и уменьшения электротермической нестабильности.

Упрощенная конструкция транзистора Linear Power MOSFET показана на рисунке 1. В этих приборах, как и в других MOSFET, существует паразитный биполярный n-p-n-транзистор, образованный областями с разными типами проводимости. Эмиттерный переход биполярного транзистора надежно шунтируется путем соединения подложки MOSFET с его истоком, поэтому он остается в закрытом состоянии даже в экстремальных электрических режимах.

Рис. 1. Структура Linear Power MOSFET

Еще одной особенностью транзисторов Linear Power MOSFET является контроль величины теплового сопротивления каждого транзистора, выполняемый в процессе производства. Такая проверка проводится для выявления возможных дефектов сборки, в частности наличия пустот припоя, увеличивающих риск возникновения точек локального нагрева.

Основными приложениями для транзисторов Linear Power MOSFET являются схемы, в которых транзистор должен длительное время находиться в активном режиме, например, электронные нагрузки, использующиеся для тестирования источников питания.

Вторичный пробой

В мощных силовых MOSFET под термином «вторичный пробой» (Second Breakdown) подразумевается внезапная потеря управляемости транзистора с последующим самопроизвольным переходом в состояние с малым сопротивлением канала. Происходит это из-за открытия паразитного биполярного транзистора, которое может произойти, например, из-за слишком резких изменений напряжения между истоком и стоком. Вторичный пробой силовых MOSFET, работающих в ключевых режимах, обычно не возникает. Однако в схемах, где рабочая точка MOSFET большую часть времени находится на линейном участке вольт-амперной характеристики, вероятность возникновения вторичного пробоя значительно возрастает из-за возможности фокусировки тока в определенных участках кристалла, приводящих к появлению локальных термических перенапряжений.

При работе в режиме насыщения увеличение плотности тока в некоторой области кристалла приводит к локальному увеличению температуры. Полупроводниковый материал канала MOSFET обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, поэтому при разогреве сопротивление перегруженной части канала увеличивается, что приводит к уменьшению тока и, как следствие, к ее охлаждению [1]. Таким образом, в режиме насыщения происходит автоматическое перераспределение тока внутри кристалла, что позволяет соединять параллельно несколько MOSFET без необходимости применения дополнительных балансирующих элементов.

Однако увеличение температуры кристалла приводит не только к росту сопротивления канала, но и к уменьшению порогового напряжения – напряжения между затвором и истоком, при котором между стоком и истоком образуется проводящий канал и начинает протекать ток. При работе в режиме насыщения сигнал управления значительно больше порогового напряжения, поэтому этот эффект не оказывает какого-либо заметного влияния на тепловой режим транзистора. Однако при работе в активном режиме, когда напряжение между затвором и истоком находится близко к пороговому значению, локальный нагрев кристалла может привести к еще большему увеличению температуры перегретого участка. Таким образом, при работе в активном режиме, даже если рассеиваемая мощность находится в пределах допустимых значений, возможен неконтролируемый саморазогрев кристалла, в результате которого может произойти вторичный пробой с последующим разрушением полупроводниковой структуры [2].

Типовая вольт-амперная характеристика мощного N-канального MOSFET показана на рисунке 2. 2=g_{FS}\left( V_{GS}-V_{GS(TH)} \right),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

• K – параметр, зависящий от температуры и геометрических размеров транзистора;
• g_FS – крутизна его характеристики.

Рис. 2. Типовая вольт-амперная характеристика мощного MOSFET

Положительное напряжение V_GS нейтрализует запирающий потенциал стока, увеличивая количество электронов в областях с дырочной проводимостью (p-областях). По мере роста напряжения V_GS количество неосновных носителей заряда в p-областях увеличивается до тех пор, пока при напряжении V_GS(TH) потенциал p-областей не станет равным нулю. С этого момента между стоком и истоком образуется проводящий канал, ток которого определяется разницей напряжений V_GS – V_GS(TH) [3].

Область безопасной работы является совокупностью графиков, определяющих режимы работы транзистора, в которых он может находиться без риска разрушения кристалла. Типовая область безопасной работы мощных MOSFET в режиме прямых смещений показана на рисунке 3. Она ограничена максимально допустимым напряжением между стоком и истоком V_DSS, максимально допустимым током стока I_DM, а также линиями, определяющими возможные комбинации напряжения и тока для максимально допустимой мощности рассеяния P_D.

Рис. 3. Типовая область безопасной работы мощных MOSFET

В данном случае на рисунке 3 присутствуют линия для продолжительно протекающего тока стока (DC) и четыре линии для одиночных импульсов длительностью 10, 1, 100 и 25 мкс. Левая верхняя часть области безопасной работы сформирована линией, являющейся функцией максимально возможного значения тока стока при данном напряжении и сопротивлении канала R_DS(ON).

В общем случае, максимальное значение мощности P_D, которая может быть рассеяна на кристалле, определяется формулой 2:

$$P_{D}=\frac{T_{Jmax}-T_{C}}{Z_{thJC}}=V_{DS}I_{D},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

• Z_thJC – тепловое сопротивление «кристалл-корпус»;
• T_Jmax – максимально допустимая температура кристалла MOSFET;
• T_C – температура корпуса транзистора.

Однако формула 2 получена, исходя из предположения, что кристалл MOSFET имеет одинаковую температуру во всех точках, а это не соответствует действительности. Начнем с того, что сторона транзистора, припаянная к охлаждающей пластине его корпуса, имеет меньшую температуру, чем внутренние области кристалла, что является естественным физическим процессом передачи тепла. Во-вторых, кристалл транзистора может иметь внутренние дефекты, например, пустоты или полости, приводящие к локальным увеличениям теплового сопротивления и, как следствие, к локальному перегреву внутренних областей кристалла. В-третьих, концентрация легирующих добавок и толщина изолятора затвора могут привести к флуктуациям порогового напряжения и крутизны g_FS ячеек MOSFET, что также негативно сказывается на равномерности прогрева полупроводниковой структуры.

При работе в ключевом режиме эти нарушения и отклонения в большинстве случаев безопасны и не влияют на поведение схемы. Однако если транзистор работает в активном режиме, то последствия, вызванные подобными неоднородностями, могут быть самыми катастрофическими, особенно в случае, когда продолжительность нахождения транзистора в режиме повышенного тепловыделения превышает время, необходимое для переноса тепла от кристалла к радиатору. Результаты исследований показали, что современные мощные MOSFET, оптимизированные для работы в ключевых режимах, при перемещении рабочей точки в правый нижний угол области безопасной работы обладают электротермической нестабильностью (Electro-Thermal Instability, ETI), приводящей к выходу их из строя.

Электротермическую нестабильность можно объяснить наличием положительной обратной связи, возникающей внутри MOSFET, работающего в активном режиме. Упрощенный механизм саморазогрева отдельных областей кристалла можно описать четырьмя этапами:

• вначале увеличивается температура в месте существования неоднородности;
• увеличение температуры приводит к уменьшению величины порогового напряжения V_GS(TH) на этом участке кристалла, поскольку пороговое напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент;
• уменьшение порогового напряжения приводит к увеличению локальной плотности тока J_DS, поскольку она является функцией от квадрата разности напряжений (V_GS – V_GS(TH))²;
• увеличение локальной плотности тока приводит к еще большему увеличению температуры в месте появления неоднородности.

При неблагоприятных условиях, на возникновение которых влияет множество факторов, в том числе длительность импульса повышенной мощности, особенности конструкции транзистора и условий его охлаждения, электротермическая нестабильность может привести к тому, что весь ток стока сосредоточится в одной узкой области канала. Подобное перераспределение приведет к тому, что паразитный биполярный транзистор из-за высокой температуры уже не сможет находиться в закрытом состоянии и начнет пропускать электрический ток. Открытие паразитного биполярного транзистора означает потерю управляемости MOSFET (защелкивание), в результате чего ток стока перестанет зависеть от напряжения между затвором и истоком, и для перевода MOSFET в первоначальное состояние будет необходимо отключить цепь стока от источника питания и дать кристаллу остыть. Но поскольку в реальной схеме это чаще всего невозможно, то защелкивание транзистора в результате электротермической нестабильности приведет к еще большему увеличению тока стока из-за возникшего короткого замыкания и, как следствие, к разрушению кристалла.

Принимая это во внимание, компания Littelfuse разработала специализированную линейку транзисторов Linear Power MOSFET, оптимизированную для использования в приложениях, требующих функционирования полевых транзисторов в активном режиме. Особенностью этих полупроводниковых приборов является расширенная область безопасной работы, достигнутая за счет внедрения специализированных механизмов подавления положительных обратных связей, являющихся причиной электротермического разогрева [3].

В технической документации на транзисторы Linear Power MOSFET приводится гарантированная область безопасной работы, рассчитанная с учетом особенностей работы в активном режиме. Одним из таких MOSFET является транзистор IXTK22N100L, область безопасной работы которого показана на рисунке 4. Как видно из этого рисунка, на графиках присутствуют не только расчетные значения, но и точка, в которой проводятся испытания каждого прибора из этой линейки.

Рис. 4. Область безопасной работы MOSFET IXTK22N100L

Основные технические характеристики транзисторов Linear Power MOSFET, позволяющих получить представление о возможностях этой линейки, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики транзисторов Linear Power MOSFET

Наименование	VDSS, В	ID, А	RthJC, К/Вт	Безопасная величина рассеиваемой мощности PD (TC = 90°C), Вт	Корпус
IXTh34N50L	500	24	0,31	200 (VDS = 400 В, ID = 0,5 А)	TO-247
IXTh56N50L	500	46	0,18	240 (VDS = 400 В, ID = 0,6 А)	SOT-227B
IXTK22N100L	1000	22	0,18	240 (VDS = 800 В, ID = 0,3 А)	TO-264
IXTh40N100L	1000	30	0,156	300 (VDS = 600 В, ID = 0,5 А)	SOT-227B

Согласно формуле 2, на кристалле MOSFET IXTK22N100L, у которого максимально допустимое напряжение «сток-исток» равно 1000 В, может рассеиваться мощность 700 Вт. Столь высокое значение рассеиваемой мощности может быть достигнуто в импульсных режимах, но не в схемах, где транзистор длительное время работает в активном режиме. Поэтому компания Littelfuse в технической документации на этот прибор приводит реальные области безопасной работы при разных температурах, полученные при условиях длительного нахождения прибора в активном режиме. Например, для транзистора IXTK22N100L максимально допустимая мощность при температуре корпуса транзистора T_C = 90°C не должна превышать 240 Вт (V_DS = 800 В, I_D = 0,3 А).

Примеры применения транзисторов Linear Power MOSFET

Одним из примеров практического применения транзисторов Linear Power MOSFET являются электронные нагрузки, используемые для тестирования источников питания. Электронная нагрузка фактически является программируемым резистором, образованным несколькими параллельно включенными высоковольтными MOSFET, работающими в активном режиме. В такой схеме вероятность равномерного распределения тока между транзисторами крайне мала, поскольку даже небольшой технологический разброс параметров MOSFET, в частности, порогового напряжения и крутизны, при работе в активном режиме приводит к значительной разбалансировке схемы.

Для равномерного распределения тока между разными транзисторами используются схемы местной отрицательной обратной связи на основании напряжений, формируемых резистивными датчиками тока, включенными в цепи истока каждого транзистора. Напряжение на токоизмерительном резисторе зависит от параметров конкретной схемы и обычно находится в диапазоне 1…2 B. Тепловая стабильность схемы определяется температурным коэффициентом резисторов [2].

Рассмотрим электронную нагрузку, рассчитанную на тестирование источников питания с выходным напряжением до 600 В и максимальным током до 2 А. При таких значения напряжения и тока в этой схеме должны использоваться транзисторы с максимально допустимым напряжением между стоком и истоком не менее 600 В.

Максимальную мощность, развиваемую блоком питания, можно определить по формуле 3:

$$P_{0}=I_{0}V_{0},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

I₀ = 2 А – максимальный ток;

V₀ = 600 В – максимальное напряжение источника питания.

Таким образом, максимальная мощность блока питания равна P₀ = 2 × 600 = 1200 Вт.

В подобной электронной нагрузке можно использовать мощные полевые транзисторы IXTK22N100L, имеющие максимально допустимое напряжение 1000 В и максимально допустимый ток 22 А. Согласно технической документации, их максимальная рассеиваемая мощность в импульсном режиме равна 700 Вт, однако в активном режиме ее величина не должна превышать 240 Вт. Но поскольку полупроводниковые приборы должны иметь некоторый запас по всем ключевым параметрам, таким как напряжение, ток, мощность, то приняв, что величина рассеиваемой мощности не должна превышать 80% от максимально допустимого значения, получим, что на одном транзисторе IXTK22N100L должно рассеиваться не более 192 Вт тепла.

Максимально допустимая мощность электронной нагрузки также должна быть как минимум на 20% больше мощности тестируемого устройства. Это значит, что при мощности блока питания 1200 Вт максимально допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторах, должна быть не менее 1440 Вт. Поскольку это число значительно превышает мощность, которую можно рассеять на одном транзисторе (192 Вт), то для реализации эталонной нагрузки необходимо использовать несколько параллельно соединенных транзисторов. В данном случае необходимо применить не менее восьми транзисторов IXTK22N100L (1400/192 ≈ 8).

Упрощенная принципиальная схема электронной нагрузки показана на рисунке 5 [2]. Резисторы R_S1…R_S8 используются в качестве датчиков тока транзисторов Q1…Q8. От их точности зависит равномерность распределения тока между каналами. Напряжение с этих резисторов поступает на инвертирующие входы операционных усилителей U1…U8, управляющих соответствующими транзисторами. Неинвертирующие входы всех усилителей соединены вместе и используются для установки тока, потребляемого схемой от тестируемого источника питания. Выходы операционных усилителей подключаются к затворам транзисторов через резисторы R_G1…R_G8 сопротивлением 5…50 Ом, предназначенных для ограничения тока затвора. Наличие этих резисторов является необязательным, однако они повышают устойчивость схемы.

Рис. 5. Упрощенная принципиальная схема электронной нагрузки мощностью 1440 Вт

Благодаря использованию механизмов подавления положительной обратной связи транзисторы Linear Power MOSFET производства компании Littelfuse не склонны к саморазогреву и имеют расширенную область безопасной работы. Это позволяет преодолеть ряд ограничений и безопасно использовать их в схемах, где требуется длительная работа в активном режиме. Транзисторы Linear Power MOSFET могут рассеивать на кристалле больше тепла, чем их аналоги, предназначенные для использования в ключевых режимах, однако не следует забывать, что величина мощности, рассеиваемой на кристалле в активном режиме, в любом случае будет меньше, чем при работе в импульсных схемах. 

Литература

1. Consoli, Alfio et al, “Thermal Instability of Low-Voltage Power MOSFETs,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 3, May 2000.
2. Frey, Richard, Grafham, Denis, Mackewich, Tom, “New 500V Linear MOSFETs for a 120 kW Active Load,” Application Note, Advanced Power Technology (APT), 2000.
3. Baliga, B. Jayant, “Power Semiconductor Devices,» PWS Publishing Co., 1996.
4. Zommer, Nathan, “Monolithic Semiconductor Device and Method of Manufacturing Same,” U.S. Patent No. US4860072, August 1989.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Описание транзисторов. Как работают транзисторы

Узнайте о транзисторах — одном из самых важных устройств, когда-либо изобретенных. Мы собираемся узнать, как они работают подробно в этой статье.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое транзистор

Транзисторы

Транзисторы бывают разных форм и размеров. Есть два типа сети, биполярная и полевая. В этой статье мы сосредоточимся в основном на биполярной версии. Транзисторы — это небольшие электронные компоненты, выполняющие две основные функции. Он может действовать как переключатель для цепей управления, а также может усиливать сигналы.

Небольшие маломощные транзисторы заключены в полимерный корпус для защиты внутренних частей. Но более мощные транзисторы будут иметь частично металлический корпус, который используется для отвода выделяемого тепла, поскольку со временем это приведет к повреждению компонентов. Обычно мы находим эти транзисторы в металлическом корпусе прикрепленными к радиатору, который помогает отводить нежелательное тепло.

Mosfet

Например, внутри этого настольного источника питания постоянного тока у нас есть несколько mosfet-транзисторов, которые прикреплены к большим радиаторам. Без радиатора компоненты быстро достигают 45 градусов Цельсия (или 113 °F) при силе тока всего 1,2 ампера. Они станут намного горячее по мере увеличения тока. Но для электронных схем с небольшими токами мы можем просто использовать транзисторы в полимерном корпусе, которые не требуют радиатора.

Номер детали

На корпусе транзистора мы находим какой-то текст, который сообщит нам номер детали, который мы можем использовать, чтобы найти техническое описание производителя. Каждый транзистор рассчитан на определенное напряжение и ток, поэтому важно проверять эти листы.

3 вывода

Теперь с транзистором у нас есть 3 вывода, помеченные E, B и C. Это обозначает эмиттер, базу и коллектор. Как правило, в этих транзисторах с полимерным корпусом с плоским краем левый контакт является эмиттером, средний — базой, а правая сторона — коллектором. Однако не все транзисторы используют эту конфигурацию, поэтому сверяйтесь с техническими данными производителя.

Почему мы используем транзисторы?

Мы знаем, что если подключить лампочку к батарейке, она загорится. Мы можем установить выключатель в цепь и управлять светом, прерывая подачу питания. Но для этого требуется, чтобы человек вручную управлял переключателем. Итак, как мы можем автоматизировать это? Для этого используем транзистор. Этот транзистор блокирует поток тока, поэтому свет не горит. Но если мы подадим небольшое напряжение на базовый контакт в середине, это заставит транзистор начать пропускать ток в основной цепи, поэтому свет загорится. Затем мы можем поместить переключатель на управляющий штифт, чтобы управлять им удаленно, или мы можем поместить на него датчик, чтобы автоматизировать управление.

Как правило, нам нужно подать не менее 0,6–0,7 вольта на вывод базы, чтобы транзистор включился. Например, эта простая транзисторная схема имеет красный светодиод с источником питания 9 вольт по основной цепи. Базовый контакт подключен к источнику питания постоянного тока. Схема цепи выглядит так.

Когда напряжение питания на выводе базы составляет 0,5 Вольт, транзистор выключен, поэтому светодиод также не горит. При напряжении 0,6 В транзистор открыт, но не полностью, светодиод тусклый, потому что транзистор еще не пропускает полный ток через основную цепь. Тогда при 0,7 вольта светодиод ярче, потому что транзистор пропускает почти полный ток, а при 0,8 вольта светодиод горит на полную яркость, транзистор полностью открыт.

Итак, мы используем небольшое напряжение и ток для управления большим напряжением и током.

Мы видели, что небольшое изменение напряжения на базовом выводе вызывает большое изменение в основной цепи. Следовательно, если мы вводим сигнал на базовый вывод, транзистор действует как усилитель. Мы могли бы подключить микрофон, который изменяет сигнал напряжения на базовом контакте, и это усилит динамик в основной цепи, чтобы сформировать очень простой усилитель.

Обычно в контакте базы протекает очень небольшой ток, возможно, всего 1 миллиампер или даже меньше. Коллектор имеет гораздо больший ток, например 100 миллиампер. Соотношение между этими двумя значениями известно как текущий коэффициент усиления и обозначается символом бета (β). Мы можем найти соотношение в паспорте производителя.

В этом примере ток коллектора равен 100 миллиампер, а ток базы равен 1 миллиампер, поэтому отношение равно 100, деленному на 1, что дает нам 100. Мы можем изменить эту формулу, чтобы найти и токи.

Транзисторы NPN и PNP

У нас есть два основных типа биполярных транзисторов: NPN и PNP. Два транзистора выглядят почти одинаково, поэтому нам нужно проверить номер детали, чтобы определить, какой из них.

С транзистором NPN у нас есть основная цепь и цепь управления. Оба подключены к плюсу аккумулятора. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. Мы видим, что ток течет по обоим проводам к транзистору. Мы можем удалить основную цепь, и светодиод цепи управления все равно будет включаться при нажатии переключателя, когда ток возвращается к батарее через транзистор.

Пример

В этом упрощенном примере, когда переключатель нажат, на базовый штифт поступает ток 5 мА. Через штырь коллектора проходит 20 мА, а через эмиттер — 25 мА. Таким образом, ток объединяется в транзисторе.

С транзистором PNP у нас снова есть основная цепь и цепь управления. Но теперь эмиттер подключен к плюсу батареи. Основная цепь выключена, пока мы не нажмем выключатель на цепи управления. С этим типом мы можем видеть, что часть тока вытекает из вывода основания и возвращается к батарее, остальная часть тока течет через транзистор и основной светодиод и обратно к батарее. Если мы удалим основную цепь, светодиод цепи управления все равно будет гореть.

В этом примере, когда переключатель нажат, 25 мА поступает на эмиттер, 20 мА выходит из коллектора и 5 мА выходит из базы. Таким образом, ток в транзисторе делится.

Транзисторы показаны на электрических чертежах с такими символами. Стрелка размещена на выводе излучателя. Стрелка указывает направление обычного тока, чтобы мы знали, как подключить их к нашим цепям.

Как работает транзистор

Чтобы понять, как работает транзистор, мы хотим, чтобы вы сначала представили воду, текущую по трубе. Он свободно течет по трубе, пока мы не перекроем его диском. Теперь, если мы присоединим меньшую трубу к основной и поместим в эту маленькую трубу поворотный затвор, мы сможем перемещать диск с помощью шкива. Чем дальше открываются распашные ворота; тем больше воды может протекать в магистральной трубе. Распашные ворота немного тяжеловаты, поэтому небольшого количества воды будет недостаточно, чтобы их открыть. Для открывания ворот требуется определенное количество воды. Чем больше воды течет в этой маленькой трубе, тем дальше открывается клапан и позволяет большему количеству воды течь в основную трубу. По сути, так работает NPN-транзистор.

Возможно, вы уже знаете, что при проектировании электронных схем мы используем обычный ток. Таким образом, в этой схеме NPN-транзистора мы предполагаем, что ток течет от положительных батарей к контактам коллектора и базы, а затем выходит из контакта эмиттера. Мы всегда используем это направление для разработки наших схем.

Однако на самом деле это не так. На самом деле электроны текут от минуса к плюсу батареи. Это было доказано Джозефом Томпсоном, который провел несколько экспериментов, чтобы открыть электрон, а также доказать, что они движутся в противоположном направлении. Итак, в действительности электроны текут от отрицательного к эмиттеру, а затем из коллектора и выводов базы. Мы называем это потоком электронов.

Помните, что мы всегда разрабатываем схемы, используя обычный токовый метод. Но ученые и инженеры знают, что на самом деле работает поток электронов.

Кстати, мы также подробно рассмотрели, как работает батарея, в нашей предыдущей статье, проверьте это ЗДЕСЬ.

Итак, мы знаем, что электричество — это поток электронов по проводу. Медная проволока является проводником, а резина — изолятором. Электроны могут легко проходить через медь, но не могут проходить через резиновый изолятор.

Если мы посмотрим на базовую модель атома для металлического проводника, у нас будет ядро ​​в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, которые удерживают электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку. Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке. Электроны удерживаются на месте ядром, но есть и другая оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этого, то он может вырваться из атома и перейти к другим атомам. У атома металла, такого как медь, валентная оболочка и зона проводимости перекрываются, поэтому электронам очень легко двигаться.

С изолятором упакована самая внешняя оболочка. Там очень мало места, чтобы электрон мог присоединиться. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний является примером полупроводника. В этом материале в валентной оболочке слишком много электронов, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Но, поскольку зона проводимости находится довольно близко, если мы обеспечим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок в зону проводимости и стать свободными. Следовательно, этот материал может выступать как в качестве изолятора, так и в качестве проводника.

В чистом кремнии почти нет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество другого материала, что изменяет его электрические свойства. Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти материалы, чтобы сформировать соединение P-N. Мы можем объединить их вместе, чтобы сформировать транзистор NPN или PNP.

Внутри транзистора у нас есть вывод коллектора и вывод эмиттера. Между ними в транзисторе NPN у нас есть два слоя материала N-типа и один слой P-типа. Базовый провод подключен к слою P-типа. В транзисторе PNP это настроено наоборот. Все это заключено в смолу для защиты внутренних материалов.

Давайте представим, что кремний еще не был легирован, так что внутри просто чистый кремний. Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждому атому нужно 8 электронов в его валентной оболочке. Но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке. Таким образом, они тайно делят электрон со своим соседним атомом, чтобы получить желаемую восьмерку. Это известно как ковалентная связь. Когда мы добавим материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атомы фосфора имеют 5 электронов на валентной оболочке. Итак, поскольку атомы кремния делят электроны, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, а это означает, что теперь в материале есть дополнительные электроны, и они могут свободно перемещаться.

При легировании Р-типа мы добавляем такой материал, как алюминий или алюминий-мин-ум, этот атом имеет только 3 электрона в своей валентной оболочке. Следовательно, он не может предоставить своим четырем соседям общий электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Это означает, что была создана дыра, где электрон может сидеть и занимать.

Теперь у нас есть два легированных куска кремния, один со слишком большим количеством электронов, а другой с недостаточным количеством электронов. Два материала соединяются, образуя PN-соединение, на этом стыке мы получаем то, что известно как область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны n-типа переместится, чтобы занять дырку на стороне p-типа. Эта миграция образует барьер с накоплением электронов и дырок на противоположных сторонах.

Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, это накопление вызывает слегка отрицательно заряженную область и слегка положительно заряженную область. Это создает электрическое поле и предотвращает движение большего количества электронов. Разность потенциалов в этой области обычно составляет около 0,7 Вольт.

Когда мы подключаем источник напряжения к двум концам, с плюсом, подключенным к материалу P-типа, это создаст прямое смещение, и электроны начнут течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут совершить прыжок.

Когда мы реверсируем источник питания, так что положительный контакт соединяется с материалом N-типа, электроны, удерживаемые в барьере, будут притягиваться к положительному выводу, а дырки будут притягиваться к отрицательному выводу. Это вызвало обратное смещение.

В транзисторе NPN у нас есть два слоя материала N-типа, поэтому у нас есть два перехода и, следовательно, два барьера. Таким образом, через него обычно не может течь ток.

Материал эмиттера N-типа сильно легирован, поэтому здесь много лишних электронов. Базовый P-тип слегка легирован, поэтому здесь есть несколько отверстий. Коллектор N-типа умеренно легирован, поэтому избыточных электронов здесь немного.

Если мы соединим батарею между базой и эмиттером, с плюсом, подключенным к слою P-типа, это создаст прямое смещение. Прямое смещение вызывает разрушение барьера, пока напряжение составляет не менее 0,7 вольт. Таким образом, барьер уменьшается, и электроны устремляются, чтобы заполнить пространство внутри материала P-типа. Некоторые из этих электронов займут дырку и будут притягиваться к положительному полюсу батареи. Слой P-типа тонкий и был намеренно слегка легирован, так что вероятность попадания электронов в дырку мала. Остальные останутся свободно перемещаться по материалу. Следовательно, только небольшой ток будет течь из базового стержня, оставляя избыток электронов теперь в материале P-типа.

Если мы затем подключим другую батарею между эмиттером и коллектором, с плюсом, подключенным к коллектору. Отрицательно заряженные электроны внутри коллектора будут притягиваться к положительной клемме, что вызывает обратное смещение. Если вы помните, при обратном смещении электроны и дырки барьера отталкиваются друг от друга.

Итак, электроны на стороне P-типа барьера притягиваются к стороне N-типа, а дырки на стороне N-типа притягиваются обратно к P-типу. В материале P-типа уже имеется избыточное количество электронов, поэтому они будут двигаться, чтобы занять эти отверстия, и некоторые из них будут притягиваться, потому что напряжение этой батареи больше, поэтому притяжение намного выше. Когда эти электроны притягиваются, они текут в батарею, поэтому через переход обратного смещения возникает ток.

Более высокое напряжение на базовом выводе полностью открывает транзистор, что означает больший ток и большее количество электронов, перемещающихся в слой P-типа, и, следовательно, больше электронов притягивается через обратное смещение. Мы также видим, что на стороне эмиттера транзистора течет больше электронов, чем на стороне коллектора.

---

---

Как работают транзисторы | HowStuffWorks

Если клетки являются строительными блоками жизни, то транзисторы являются строительными блоками цифровой революции. Без транзисторов технологические чудеса, которыми вы пользуетесь каждый день — сотовые телефоны, компьютеры, автомобили — были бы совсем другими, если бы они вообще существовали.

До транзисторов инженеры использовали электронные лампы и электромеханические переключатели для завершения электрических цепей. Трубки были далеки от идеала. Они должны были разогреваться перед работой (и иногда при этом перегревались), они были ненадежными и громоздкими и потребляли слишком много энергии. Все, от телевизоров до телефонных систем и первых компьютеров, использовало эти компоненты, но в годы после Второй мировой войны ученые искали альтернативы электронным лампам. Вскоре они найдут ответ в работе, проделанной десятилетия назад.

Реклама

В конце 1920-х годов американский физик польского происхождения Юлиус Лилиенфельд подал патент на трехэлектродный прибор, изготовленный из сульфида меди. Нет никаких доказательств того, что он действительно создал этот компонент, но его исследования помогли разработать то, что сегодня является полевым транзистором, строительным блоком кремниевых микросхем.

Спустя двадцать лет после того, как Лилиенфельд подал заявку на патент, ученые пытались применить его идеи на практике. Телефонная система Белла, в частности, нуждалась в чем-то лучше, чем электронные лампы, чтобы ее системы связи работали. Компания собрала звездную команду научных умов, включая Джона Бардина, Уолтера Браттейна и Уильяма Шокли, и заставила их работать над исследованием заменителей электронных ламп.

В 1947 году Шокли был директором по исследованиям транзисторов в Bell Telephone Labs. Браттейн был авторитетом в области физики твердого тела, а также специалистом по природе атомной структуры твердых тел, а Бардин был инженером-электриком и физиком. В течение года Бардин и Бриттен использовали элемент германий для создания схемы усиления, также называемой транзистором с точечным контактом. Вскоре после этого Шокли усовершенствовал свою идею, разработав переходной транзистор.

В следующем году Bell Labs объявила миру, что изобрела рабочие транзисторы. Первоначальным патентным названием первого транзистора было следующее описание: полупроводниковый усилитель; трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов.