ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    Тиристоры.

    Элементы с падающим участком вольтамперной характеристики (т.е. с ОДС) аналогичных ламповому тетроду можно создать и на основе полупроводниковых материалов с p-n переходами. Такие приборы, называемые тиристорами, чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротив­лением. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Первые из них называют динисторами, вторые – тринисторами.

    Оба класса тиристоров представляют собой приборы с четырехслойными p-n-p-n структурами (см. рис. 1.16). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом. Для тринисторов дополнительный управляющий электрод подключен либо к средней n-области, либо к средней p-области в зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей. Соответственно различают тринисторы с анодным и катодным управлением (рис.1.16 б и c).

    Тиристоры

    Рис. 1.16. Тиристоры: (а) динистор, (b) тринистор с анодным управлением, (с) тринистор с катодным управлением, d) обозначение тиристора.

    Рассмотрим кратко работу динистора.

    С учетом знаков приложенного напряжения (рис.1.17) эмиттерные переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на среднем переходе 2, смещенным в обратном направлении, который назовем коллекторным.

    Схема динистора с последовательным включением

    Рис.1.17. Схема динистора с последовательным включением p1-n1-p2 и n1-p2-n2 транзисторов.

    Через переход 1 первого p1-n1-p2 транзистора дырки инжектируются из p1-области n1-область, играющий роль базы. Пройдя базу и коллекторный переход 2, дырки появляются в p2-области, который является одновременно коллектором первого и базой второго (уже n1-p2-n2) транзистора. Этот ток определяется из выражения (1.8):

    Ip= IpKБО + α1IЭ  (1.9),

    где IpKБО – обратный дырочный ток коллекторного перехода 2, α1 – коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

    Дырки в p2-базе второго транзистора создают некомпенсированный положительный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n2 в область p2, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n1 второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (p1-n1-p2).

    Этот электронный ток (см.(1.8)) равен:

    In= InKБО + α2IЭ (1.10),

    где InKБО – обратный электронный ток коллекторного перехода 2, α2 – коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора.

    Эмиттерные токи IЭ обоих транзисторов равны внешнему току цепи. Суммируя оба тока (1.9) и (1.10), получаем

      (1.11),

    где IKБО = IpKБО + InKБО – суммарный обратный ток коллекторного перехода 2, a = a1 + a2 – суммарный коэффициент передачи тока.

    Как видно из формулы (1.11) при a®1 IЭ®¥. Это есть условие положительной обратной связи переключения динистора, при котором инжекция электронов в область n1 вызывает встречную инжекцию дырок из области p1 в область n1, и наоборот, так что ток в эквивалентных транзисторах лавинообразно возрастает.

    Рассмотренные процессы определяют ВАХ динистора (рис.1.18), на прямой ветви которой можно выделить две устойчивые зоны: область III с малыми значениями тока при больших значениях напряжения и область отпирания I с большими токами при малых напряжениях. Точки B и A соответствуют выполнению условию a = 1 и называются точками включения и удержания динистора соответственно. Между этими точками находится зона II, где динистор обладает ОДС.

    ВАХ динистора

    Рис.1.18. ВАХ динистора. Пунктиром показан участок с ОДС.

    Обратная ветвь ВАХ динистора аналогична ВАХ диода.

    Если управление током динистора возможно только за счет изменения напряжения внешнего источника, управление (сквозным) током тринистора можно осуществлять током одной из базовых областей (рис.1.16 б и c). Для этого на управляющий электрод необходимо подать напряжение такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. Как видно из рисунка 1.19, с возрастанием Iупр уменьшается напряжение включения тринистора, так что при достаточно большом значении Iупр вид прямой ветви ВАХ будет аналогичен прямой ветви ВАХ диода.

    ВАХ тринистора

    Рис. 1.19. ВАХ тринистора.

    Отметим, что в отличие классических планарных четырехслойных тиристоров существуют их различные модификации в зависимости от количества и формы p-n-контактов. Например, тиристоры, называемые симметричными, могут переключаться, как в прямом, так и обратном направлении.

    1.2.4.Полевые транзисторы.

      Принцип работы полевого транзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала под воздействием электрического поля.

    Обозначения полевого транзистора с изолированным затвором

    Рис.1.20. Обозначения полевого транзистора с изолированным затвором: (A) c индуцированным каналом p-типа, (B) c индуцированным каналом n-типа.

     

    Существуют два основных класса полевых транзисторов: c управляющим p-n переходом и с изолированным затвором, из которых мы кратко остановимся на последнем.

     В основном кристалле проводимости р или n типа подключены электроды истока и стока. Сверху находится слой диэлектрика, на который напыляется электрод затвора.

     Если вместо диэлектрика нанесена окись металла, то такой тип элемента будет называться МОП-транзистором.

      Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с n-каналом (подложка p-типа). На подложке р – типа сформированы две области n-типа - сток и исток, а затвор отделен от подложки тонким слоем диэлектрика. Если напряжение на затворе отсутствует, то электрическая цепь сток-исток через p-область подложки содержит обратно включенный р–n переход при любой полярности напряжения стоком и истоком, и ток через транзистор пренебрежимо мал. Если к затвору транзистора приложить достаточно большое положительное напряжение, то в р–области на границе с диэлектриком образуется (индуцируется) инверсный токопроводящий канал n–типа, соединяющий области стока и истока. По этому каналу может протекать ток сток - исток с малым сопротивлением транзистора. На практике обычно исток и подложку заземляют, а на сток падают положительное напряжение (n-канал). Такой тип транзистора называется полевым транзистором с индуцированным каналом. Его ВАХ (рис.1.21) сходна с ВАХ биполярного транзистора (рис. 1.24), где можно отметить аналогичные участки режимов насыщения (I) и усиления (II) разделяемые напряжением отсечки Uотс, которое определяет формирования проводящего канала между истоком и стоком. Участок III соответствует режиму пробоя транзистора.

    ВАХ полевого транзистора с индуцированным n-каналом

    Рис. 1.21. ВАХ полевого транзистора с индуцированным n-каналом. Напряжение на затворе uзи1> uзи2 >uзи3.

    Существуют полевые транзисторы (с изолированным затвором) с встроенным каналом. Канал образуется при изготовлении в виде тонкого приповерхностного слоя с n – проводимостью между стоком и истоком. Благодаря встроенному каналу ток стока не равен нулю даже при нулевом напряжении на затворе, и только достаточно большое отрицательное напряжении разрушит его, то есть разомкнет цепь исток-сток за счет оттягивания электронов вглубь подложки. ВАХ такого элемента аналогична ВАХ лампового триода (рис.1.3), где роль сетки играет затвор, а роль анода - сток. В обозначении полевого транзистора с встроенным каналом (n или p-типа) пунктирная вертикальная линия между стоком и истоком (рис. 1.20) заменяется сплошной.

    Полупроводниковые приборы как элементы интегральных микросхем.

    Интегральную микросхему (ИС), содержащую десятки, сотни и даже тысячи полупроводниковых элементов, можно получить либо в пластине твердого тела, либо на ее поверхности. Первый вариант составляют полупроводниковые ИС, представляющие собой слои резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов, выполняющие заданные функции.

    Во втором случае все элементы (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев. Полученную ИС помещают в корпус с внешними выводами, а активные элементы (диоды, транзисторы) навешивают на пленочную схему, в результате чего получают гибридную (пленочно-дискретную) схему. Особенностью гибридной ИС является высокие номиналы резисторов и конденсаторов, их повышенная точность и функциональная сложность, недостижимые в полупроводниковой ИС. Однако наиболее распространены на практике и перспективны полупроводниковые ИС из-за их малых размеров и незначительной стоимости.

    Отметим, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какие-либо физические явления, эквивалентные электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей или применяют навесные индуктивные элементы.

    Различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные и МДП. Основной элемент первого класса ИС – n-p-n транзистор, а второго – МДП-транзистор. Все остальные элементы ИС изготовляются на базе основного.

    Функциональная сложность ИС характеризуется степенью интеграции K=lgN, где N – число элементов ИС. Различают простые ИС (K<1, N<10), средние ИС (1<K<2), большие ИС (2<K<3) и сверхбольшие (СБИС) (K>3, N>1000).

    Наряду с достоинствами ИС (низкая стоимость, малые размеры и т.д.) существуют и недостатки: диапазон номиналов значений параметров элементов ограничен, сложно сделать элементы с малыми допусками на некоторые электрические параметры, хуже частотные характеристики ИС из-за паразитных связей.

    Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах