Особенность использования полевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

2. МОП - ТРАНЗИСТОРЫ

2.1 Устройство полевого транзистора

2.2 Параметры и схемы включения полевого транзистора

2.3 Частотные и шумовые свойства

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОП - ТРАНЗИСТОРОВ

3.1 Применение полевых транзисторов в импульсных источниках питания и стабилизаторах

3.2 Использование полевых транзисторов для управления электродвигателями

3.3 Использование полевых транзисторов в усилителях звуковой частоты

3.4 Использование полевых транзисторов в выходных каскадах вычеслительных устройств

3.5 Использование полевых транзисторов в высокочастотных схемах

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника [1].

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям. Основные материалы, из которых изготовляют транзисторы - кремний и германий, перспективные - арсенид галлия, сульфид цинка и широко зонные проводники.

Существует два типа транзисторов: биполярные и полевые [2]. Целью курсовой работы является рассмотрение устройства и принципа действия полевого транзистора МОП - структуры (металл, оксид, полупроводник), который нашел широкое применение в качестве основного элемента всех современных интегральных микросхем МОП структуры.

1. ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Действие электронных ламп основано на управлении током электронов, идущих от нагреваемого электрода (катода) к собирающему электроду (аноду). Катод нагревается отдельным нагревательным элементом. Для работы такого устройства требуется значительное количество электроэнергии.

В полупроводниках не нужно подводить энергию к нагревателю, чтобы получить свободные электроны, а собирающие электроды могут работать при весьма низких напряжениях.

Сопротивление полупроводников можно контролируемо изменять. Это осуществляется путем легирования полупроводника другими химическими элементами. Более того, выбирая тот или иной материал для легирования, можно задавать нужный вид носителей электрического заряда (положительные или отрицательные) [3].

Рисунок 1 - Электронные оболочки атома кремния, типичного полупроводникового материала[4]. В процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки (темные кружки), называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов (светлые кружки) в таких процессах не принимают участия

Все химические элементы, встречающиеся в природе, можно расположить в последовательный ряд по числу положительных зарядов, начиная с водорода, имеющего один положительный заряд в ядре атома (заряд одного протона), и кончая ураном с 92 протонами. Положительный заряд ядра компенсируется оболочками окружающих его электронов (рис. 1). Электроны внутренних оболочек довольно прочно связаны с ядром. Электроны же наружной оболочки связаны слабее; в качестве валентных электронов они могут участвовать в химических процессах, а в качестве электронов проводимости - переносить электрический заряд (электрический ток в металлах есть поток электронов). В таких металлах, как медь, электроны внешних оболочек практически свободны и под влиянием очень слабого электрического поля способны переносить колоссальные токи. Внешние электроны в диэлектриках связаны прочно, поэтому диэлектрики практически не проводят электричества. Полупроводники - это промежуточный случай. Согласно фундаментальному постулату физики, называемому уравнением Больцмана, число N частиц с энергией дается формулой

N = A exp [-E/kT],

где A - константа, характеризующая материал, k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура в кельвинах (К)[1]. Отсюда видно, что чем прочнее связь и ниже температура, тем меньше освобождается электронов. Если в кремний, который четырехвалентен, ввести фосфор, сурьму или мышьяк, каждый атом которых имеет пять валентных электронов, то один электрон легирующей примеси будет лишним. Этот избыточный электрон связан слабо и легко может действовать как электрон проводимости. Если же в кремний ввести бор, галлий или алюминий, каждый атом которых имеет три валентных электрона, то для образования всех связей будет недоставать одного электрона. В этом случае перенос тока определяется электронными вакансиями, или «дырками». На самом деле электроны под влиянием электрического поля перескакивают от одной вакантной связи к другой, что можно рассматривать как перемещение дырок в противоположном направлении. Электрический ток при этом направлен так же, как и в случае электронов, но по величине он меньше (у электронных «дырок» противоположный знак заряда и меньшая подвижность). В соответствии с законом можно произвольно изменять число электронов n или дырок p в единице объема полупроводника, задавая нужное число избыточных доноров или акцепторов электронов. Полупроводники, в которых электронов больше, чем дырок, называются полупроводниками n-типа, а полупроводники, в которых больше дырок, - полупроводниками p-типа. Те носители, которых больше, называются основными носителями, а которых меньше - неосновными. Граница, отделяющая в кристалле область p-типа от области n-типа, называется p-n-переходом [1].

В соединенных вместе кусочках полупроводников n и p-типа ближайшие к границе электроны будут переходить из n-области в p-область, а ближайшие дырки - навстречу им, из p-области в n-область. Сам переход будет образован из положительно заряженных доноров, потерявших свои электроны, на n-стороне, и из отрицательно заряженных акцепторов, потерявших свои дырки, на p-стороне. При этом переход уподобляется заряженному конденсатору, на обкладках которого есть некоторое напряжение. Перетекание электронов и дырок через переход прекращается, как только заряженные ионы создадут на нем напряжение, равное и противоположное контактному потенциалу (напряжению), обусловленному различием знака избыточного заряда в полупроводнике. Если на переход подать соответствующее внешнее напряжение, то ионизуются (теряют свои электроны и дырки) дополнительные доноры и акцепторы, причем в таком количестве, что переход только-только поддерживает приложенное напряжение [2].

Ценность перехода в том, что он позволяет управлять потоком электронов или дырок, т.е. током. Возьмем типичный случай, когда p-сторона сильно легирована, а n-сторона легирована значительно слабее. Если на переход подать такое напряжение, при котором p-сторона положительна, а n-сторона отрицательна, то внешнее напряжение скомпенсирует внутреннее, т. е. понизит внутренний барьер перехода и тем самым сделает возможным перетекание больших количеств основных носителей (дырок) через барьер. Так, подавая небольшое напряжение в «прямом» направлении, можно управлять большими токами. Если изменить знак внешнего напряжения на обратный (так, чтобы p-сторона была отрицательна, а n-сторона - положительна), то оно еще больше повысит внутренний барьер и полностью перекроет поток основных носителей. (Правда, небольшому количеству неосновных носителей будет легче перетекать через барьер.) Если постепенно повышать «обратное» напряжение, то в конце концов произойдет электрический пробой, и переход может оказаться поврежденным из-за перегрева. Фактическое пробивное напряжение зависит от вида и степени легирования слабо легированной стороны перехода. В устройствах разной конструкции пробивное напряжение может изменяться от 1 до 15 000 В.

Таким образом, одиночный p-n-переход может служить выпрямителем, пропускающим ток в одном направлении и не пропускающим в противоположном [3].

2. МОП - ТРАНЗИСТОРЫ

2.1 Устройство полевого транзистора

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличие от биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы: полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором [1].

Рисунок 2 - Структура полевого транзистора[2]: И - источник , З - затвор, С - сток, Si (n) - пластина Si с n проводностью, р+ - повышеная концентрация примесей с р типом проводности

Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n -переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда - стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала - затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения (рис. 2) в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.

Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяет плотность носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через обратно смещенный р-n-переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению [3].

Рисунок 3 - Структура полевого транзистора с индуцированным каналом[4]

Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (рис. 3). На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП-транзисторами (металл, оксид, полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при n-канале). Это напряжение называют пороговым (UЗИпор ). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения [1].

Рисунок 4 - Структура полевого транзистора со встроенным каналом[2]

В МДП-транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор-исток транзистора с р-каналом или отрицательном напряжении транзистора с n-каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (UЗИ.отс). МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда [4].

2.2 Параметры и схемы включения полевого транзистора

К основным параметрам полевого транзистора относят:

1. максимальный ток стока Iс max (при Uзи = 0);

2. максимальное напряжение сток-исток Uси max;

3. напряжение отсечки Uзи отс;

4. внутреннее (выходное) сопротивление ri ? представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

при Uзи = const;

1. крутизна стоко-затворной характеристики:

при Uси = const,

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

2. входное сопротивление

при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n-переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n-переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов [4].

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рисунку 5.

Рисунку 5 - Схемы включения полевого транзистора [1]

По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.

2.3 Частотные и шумовые свойства

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора. Поскольку входная емкость у транзисторов с р-n переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC - цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом [2].

Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит от напряжения сток - исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0 С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте.

Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш - эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш - эквивалентный шумовой ток , приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком [3].

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОП - ТРАНЗИСТОРОВ

Одно из первых промышленных применений транзистор нашел на телефонных коммутационных станциях. Первым же товаром широкого потребления на транзисторах были слуховые аппараты, появившиеся в продаже в 1952. Сегодня транзисторы и многотранзисторные интегральные схемы используются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, детских игрушках, карманных калькуляторах, системах пожарной и охранной сигнализации, игровых телеприставках и регуляторах всех видов - от регуляторов света до регуляторов мощности на локомотивах и в тяжелой промышленности. В настоящее время «транзисторизованы» системы впрыска топлива и зажигания, системы регулирования и управления, фотоаппараты и цифровые часы. Наибольшие изменения транзистор произвел, пожалуй, в системах обработки данных и системах связи - от телефонных подстанций до больших ЭВМ и центральных АТС. Космические полеты были бы практически невозможны без транзисторов. В области обороны и военного дела без транзисторов не могут обходиться компьютеры, системы передачи цифровых данных, системы управления и наведения, взрыватели, радиолокационные системы, системы связи и разнообразное другое оборудование. В современных системах наземного и воздушного наблюдения, в ракетных войсках - всюду применяются полупроводниковые компоненты. Перечень видов применения транзисторов почти бесконечен и продолжает увеличиваться.

В 1954 было произведено немногим более 1 млн. транзисторов. Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзисторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для обработки сигнала можно купить за несколько центов [5].

3.1 Применение полевых транзисторов в импульсных источниках питания и стабилизаторах

Сейчас ситуация такова, что стоимость энергии составляет главную статью расходов не только на производстве, но и в жизни. Ни одно из обычных непрерывных устройств (инверторов, стабилизаторов и источников питания) не в состоянии обеспечить энергией без принятия мер по его охлаждению. Хорошо известно о больших потерях энергии вследствие теплового рассеяния и о возможности повышения коэффициента полезного действия (КПД) при переходе к импульсным источникам питания и стабилизаторам, представляющим устройства переключательного типа с периодической подачей энергии. Высокоэффективное преобразование энергии стало осуществимым только после появления биполярных транзисторов и тиристоров. Но даже эти полупроводниковые приборы не исчерпывают возможности дальнейшего повышения КПД. Легче управлять полевыми транзисторами, имеющими очень большое входное сопротивление, чем мощными биполярными транзисторами, требующими больших токов базы. Поэтому между логическим устройством и полевым транзистором будет меньше промежуточных элементов [6].

Другой пример касается снижения стоимости применяемых деталей. Импульсный преобразователь энергии эффективнее непрерывного преобразователя и с повышением рабочей частоты выигрыш по габаритам, массе и, возможно, стоимости возрастает. С повышением быстродействия (частоты) уменьшается время восстановления. Повышение быстродействия означает повышение частоты. Для многих импульсных преобразователей энергии на биполярных транзисторах рабочие частоты не превышают диапазона 20-100 кГц в зависимости от отдаваемой ими мощности. Некоторые преобразователи работают на частотах даже выше 100 кГц, но только в маломощных устройствах. Активный элемент, будь то биполярный или мощный полевой транзистор, должен сохранять максимальный КПД, работая при больших токах и напряжениях на большие реактивные нагрузки (в основном, индуктивные).

Полевые транзисторы обладают двумя преимуществами перед мощными биполярными транзисторами. Во-первых, в полевом транзисторе используются только основные носители и поэтому в нем отсутствуют эффекты, обусловленные накоплением неосновных носителей; во-вторых, он обладает теплоустойчивостью. Эти два фактора обеспечивают быстрое переключение полевого транзистора и значительно уменьшают вероятность выхода его из строя при случайной перегрузке [7].

Разумеется, можно обеспечить быстрое переключение мощных биполярных транзисторов, правда, не такое, как у мощных полевых транзисторов с идентичными номинальными параметрам. Единственная проблема при этом состоит в том, что мы должны использовать специальные схемы управления, которые будут препятствовать переходу биполярного транзистора в режим насыщения, когда время рассасывания неосновных носителей становится недопустимо большим. Биполярный транзистор, работающий вне области насыщения, имеет намного меньшее время рассасывания. полевой транзистор стабилизатор импульсный

Другая важная особенность применения управляемых напряжением мощных полевых транзисторов становится очевидной при разработке полумостового или мостового импульсного преобразователя, когда необходимо включить полевые транзисторы по схеме, которую принято называть парафазной. На рис. 6 сравниваются парафазные схемы на биполярных и МДП-транзисторах. Сначала проследим за работой парафазной схемы на МДП - транзисторах. При подаче положительного напряжения на входы транзисторов «а» и «с» они отпираются, причем первый из них понижает напряжение на затворе транзистора «b», в результате чего последний остается запертым. Когда входное напряжение уменьшается, транзисторы «а» и «с» запираются, а напряжение на затворе транзистора «b» повышается до напряжения на положительной шине источника питания, обеспечивая тем самым его отпирание. Затем этот цикл может повторяться.

Рисунок 7 - Парфазная схема на МДП транзисторах [5]: a, b, c - МДП-транзисторы, Rн - сопротивление нагрузки

Парафазная схема на биполярных транзисторах работает аналогичным образом. Входной положительный импульс отпирает биполярные транзисторы «а» и «b», причем транзистор «а» понижает напряжение на базе транзистора «с», вследствие чего последний находится в запертом состоянии. При уменьшении напряжения на базах транзисторов «а» и «b» они запираются, а транзистор «с» отпирается. Мы можем легко представить себе проблемы, с которыми нам бы пришлось столкнуться при попытке осуществить быстрое переключение парафазной схемы на биполярных транзисторах [6].

Так как для высокоскоростного переключателя требуется быстродействующая схема управления, можно понять, почему мы должны остановить свой выбор на полевых транзисторах. Если мы попытались бы увеличить скорость переключения парафазной схемы на биполярных транзисторах и по той или иной причине случайно оба: биполярных транзистора «b» и «с» (рисунок 7) оказались бы в. отпертом состоянии, то в схеме возникло бы короткое замыкание.

Рисунок 7 - Парфазная схема на биполярных транзисторах [5]: a, b, c - МДП-транзисторы, Rн - сопротивление нагрузки

Другой очень простой и эффективный способ управления парафазной схемой на мощных МДП-транзисторах, используемый в импульсных преобразователях, заключается в применении разделительного трансформатора для верхнего МДП-транзистора.

3.2 Использование полевых транзисторов для управления электродвигателями

Под управлением электродвигателем подразумевается регулирование его скорости вращения. С момента появления тиристоров и симисторов (двунаправленных тиристоров) в середине 50-х годов главной областью их применения стали системы управления электродвигателями постоянного тока (мощностью от долей до сотен киловатт). Такие электродвигатели применяются как в небольших ручных инструментах и приспособлениях, так и в мощном промышленном оборудовании. Электропоезда метрополитена и трамваи также приводятся в движение электродвигателями постоянного тока с изменяемой скоростью вращения [1].

До изобретения тиристоров для уменьшения скорости вращения электродвигателя путем снижения напряжения на якоре или для ее увеличения путем уменьшения тока возбуждения применялись угольные столбиковые реостаты. Среди многих недостатков этой системы управления, помимо громоздкости и невозможности дистанционного управления, были и такие, как чрезмерный перегрев электродвигателя и частое резкое уменьшение вращающего момента. Некоторые разновидности первых таких систем строились на жидкостных регулирующих устройствах и различных механических устройствах сцепления. В 30-х годах для управления большими промышленными электродвигателями широко применялись газоразрядные игнитроны.

Тиристоры открыли новые возможности для регулирования скорости и вращающего момента электродвигателя. Для обеспечения надежной работы электродвигателя постоянного тока очень важно ограничить ток в якоре при малой скорости вращения, что стало возможным с появлением тиристоров. Скорость вращения можно регулировать напряжением, а вращающий момент - током. Оба этих параметра зависят от угла отпирания тиристора, что позволяет, во-первых, устанавливать нужное напряжение на якоре и, следовательно, управлять скоростью, а во-вторых, устанавливать ток и управлять вращающим моментом.

Оказалось, что тиристор очень удобен для управления большими электродвигателями постоянного тока, особенно при работе от сети переменного тока, поскольку такой прибор действует и как выпрямитель. Более того, тиристоры могут работать при больших токовых перегрузках и выдерживать очень высокие напряжения. Но у них есть и недостатки. Чтобы запереть тиристор, необходимо снять анодное напряжение, хотя, возможно, это не является проблемой при переключении с частотой 50 или 60 Гц. Таким способом приходится запирать тиристор после подачи каждого отпирающего импульса. Другая серьезная проблема возникает при быстром переключении больших токов и напряжений. При мгновенном переходе в режим запирания ток тиристора должен быстро уменьшаться, а падение напряжения на нем быстро возрастать. Причем эти параметры могут изменяться с такими большими скоростями, что произойдет даже ложное включение тиристора. В случае управления мощными электродвигателями постоянного тока это может привести к чрезмерно большому внутреннему нагреву тиристора [5].

Эти проблемы были решены с появлением полевых транзисторов. Если бы мы заменили тиристор мощным МДП-транзистором, то вскоре обнаружили, что последний может работать как переключатель напряжения только одной полярности. Пока приложенное к стоку напряжение остается положительным, напряжение затвора управляет протекающим через прибор током. Однако, как только полярность напряжения стока изменится на обратную, проводимость мощного МДП-транзистора перестает зависеть от напряжения на затворе. В результате будем иметь скорее однополупериодный выпрямитель, а не устройство управления электродвигателем.

Таким образом, сделанные заключения становятся более четкими. Мощные МДП-транзисторы отлично подходят для систем управления электродвигателями, но необходимы специальные меры предосторожности при разработке, если питание осуществляется от сети переменного тока. Во многих применениях использование МДП-транзистора в системах управления электродвигателями является единственно возможным практическим решением [6].

Управление электродвигателями постоянного тока, работающими от источника постоянного напряжения, является совершенно другой задачей и здесь исчезает своеобразное преимущество тиристоров: возможность их переключения при переменной полярности коммутируемого напряжения электросети переменного тока. Переключение тиристоров в .цепи постоянного тока является достаточно сложной задачей. Более того, в этом случае уже не требуется обеспечивать выпрямления переменного напряжения, поскольку для электродвигателей постоянного тока имеется источник постоянного напряжения.

Может возникнуть вопрос: где может появиться необходимость в таких системах управления и где область применения полевых транзисторов? Бесспорно, что одной из наиболее широких областей применения является автомобильная промышленность. Здесь все связанное с электрическим управлением ориентировано на работу от постоянного напряжения 12 В, обеспечиваемого аккумуляторной батареей. Новые автомобили становятся электронным чудом, в которых микропроцессор участвует в решении практически всех задач, таких как управление вентилятором, используемым для охлаждения радиатора, щетками стеклоочистителя стеклами окон и, конечно, насосом для подачи горючего. В одних случаях необходимо управлять скоростью вращения электродвигателей, в других -- достаточно просто включать или выключать их. Благодаря простоте управления мощными МДП-транзисторами непосредственно от логических и отсутствию трудностей, связанных с применением тиристоров, мощные ПТ представляют, по-видимому, целесообразное дополнение к современным электронным устройствам в наших автомобилях.

3.3 Использование полевых транзисторов в усилителях звуковой частоты

С тех пор, как в 1962 г. в аппаратуре воспроизведения звука вакуумные лампы начали заменять полевыми транзисторами, критически настроенные любители музыки доказывали, что они улавливают некоторую «разницу» в звучании. Возможно, по этой причине до сих пор в ряде мощных усилителей аппаратуры высококачественного воспроизведения звука применяются вакуумные лампы. Полемика среди радиолюбителей, обсуждающих вопрос «лучшего звучания» ламповых усилителей по сравнению с транзисторными, все еще продолжается. Их лексикон достаточно красочен и содержит такие термины, как глухой, мягкий, прозрачный и металлический. Среди знатоков, уверенных, что они действительно улавливают разницу в звучании, чаще всего встречаются просто сторонники вакуумных ламп, которые для оправдания своей позиции ссылаются с очевидным пристрастием на преимущества вакуумных ламп и недостатки полевых транзисторов [5].

В настоящее время имеется много схем высококачественных усилителей мощности, большинство из которых построено полностью на полупроводниковых приборах и только часть на лампах. Общедоступные проигрыватели, магнитофоны и стереофонические приемники с частотной и, возможно, амплитудной модуляцией, выполненные полностью на полупроводниковых приборах, обеспечивают высококачественное звучание.

По общему признанию полупроводниковые приборы сразу же обеспечили преимущества перед лампами и завоевали любовь многих радиолюбителей. Главным преимуществом является, конечно, портативность радиоаппаратуры, обусловленная не столько снижением массы, сколько возможностью перехода от неудобного питания от сети к питанию от батарей. Повидимому, более тонкие различия в звучании такой портативной радиоаппаратуры, критикуемые сейчас любителями музыки, практически не проявлялись из-за используемых в ней малогабаритных громкоговорителей. Транзисторы дали такие существенные преимущества, как увеличение надежности, уменьшение потребляемой мощности и габаритов и, кроме того, позволили, что не может быть не замечено, исключить из схем межкаскадные и выходные трансформаторы, а также несколько уменьшить размеры и сложность трансформаторов в цепях питания. Таким образом, портативность была достигнута не только благодаря исключению привязки к электросети, но и вследствие существенного уменьшения числа и массы применяемых трансформаторов. По мере развития радиоаппаратуры на полупроводниковых приборах стали очевидными также экономические выгоды, обусловленные легкостью ее модификации в соответствии с требуемыми характеристиками.

Нет усилителя звуковых частот более простого в управлении, чем построенный на МДП-транзисторах, а благодаря равенству нулю времени рассасывания неосновных носителей практически невозможен переход его каскадов в режим насыщения. Почти линейные передаточные характеристики полевых транзисторов помогают существенно уменьшить искажения, вызванные гармониками высших порядков. При работе в режиме большой мощности крутизна мощных полевых транзисторов остается неизменной, в то время как у биполярных транзисторов коэффициент усиления базового тока падает с увеличением тока в коллекторной цепи. И наконец, можно включать параллельно практически неограниченное число полевых транзисторов [6].

3.4 Использование полевых транзисторов в выходных каскадах вычеслительных устройств

Появление и распространение полевых транзисторов и микропроцессоров почти совпали по времени. Сегодня они оказывают воздействие, и вполне обоснованно, почти на все области нашей жизни. Никогда ранее не появлялось более простого способа объединения вычислительных и исполнительных средств, чем совместное использование микропроцессоров и полевых транзисторов [5].

МДП-транзисторами с индуцированным каналом n-типа, имеющими положительное пороговое напряжение и обладающими сверхвысоким входные сопротивлением, может управлять непосредственно любой каскад с положительным выходным напряжением. Если его положительное выходное напряжение изменяется от значения, меньше порогового, до 5-30 В, то можно управлять практически неограниченной мощностью. Благодаря очень высокому входному сопротивлению (по цепи затвора) мощных МДП-транзисторов можно включать параллельно столько приборов, сколько требуется для получения необходимого для работы тока. Конечно, при этом может уменьшаться быстродействие, поскольку ток в цепи затвора зависит как от входной емкости, так и от скорости изменения входного сигнала. Следовательно, чем быстрее нужно переключить МДП-транзистор, тем больший ток необходимо подать в цепь затвора.

Мощные МДП-транзисторы, управляемые непосредственно логическими схемами, применяются в установках контроля промышленным оборудованием, в устройствах коммутации телефонных линий, в различных ЭВМ и их периферийном оборудовании, все более широко используются в бытовой аппаратуре, а по мере увеличения надежности они найдут применение в установках жизнеобеспечения. Сейчас МДП-транзисторы, управляемые микропроцессорами, уже применяются в автомобилях.

Прогресс вычислительной техники означает расширение области применения МДП-транзисторов, так как их развитие взаимосвязано [6].

3.5 Использование полевых транзисторов в высокочастотных схемах

В середине 60-х годов на протяжении нескольких лет в технической литературе обсуждался так называемый аналоговый транзистор Тецнера и Зулига. Однако после создания фирмой Signetics в 1969г. маломощного высокочастотного ДМДП-транзистора с коротким каналом работы над аналоговым транзистором были почти полностью прекращены. Работа по совершенствованию ДМДП-транзистора продолжалась около десяти лет, однако он так и не получил широкого распространения как высокочастотный прибор. И всетаки результат этой работы нельзя считать неудачей, поскольку на базе технологии изготовления ДМДП-транзистора был создан мощный вертикальный МДП- транзистор, столь популярный сегодня [6].

Первый V-образный вертикальный мощный МДП-транзистор с коротким каналом типа VMP4 был выпущен фирмой Siliconix в 1976 г. и оставался наилучшим высокочастотным ПТ в течение последующих четырех лет.

Область применения высокочастотных мощных ПТ чрезвычайно специфична. Для большинства устройств в этих областях потребовались существенные доработки известных схем, поскольку в них необходимо было заменить либо тиристоры, либо мощные биполярные транзисторы, в основе работы которых лежат совершенно другие принципы. В высокочастотных устройствах ситуация складывается несколько иначе. Хотя принцип работы МДП-транзисторов действительно другой, но схемные изменения здесь намного проще, а получаемые преимущества стоят того, чтобы такие доработки провести [5].

Когда исследователи разрабатывали технологию высокочастотного полевого транзистора с управляющим р-п переходом, они стремились, главным образом, к увеличению произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, к созданию быстродействующего элемента интегральных схем и, как это выясняется сейчас, к удовлетворению желания создать твердотельную «вакуумную лампу». Теперь цели изменились, и развитие высокочастотных мощных полевых транзисторов идет в двух различных направлениях. Одним из них является поиск пути повышения мощности на частотах СВЧ диапазона, для разработки, например, источника мощности для СВЧ печей, выполненного на транзисторах и ИС. Другим направлением является разработка полевых транзисторов с повышенными стабильностью и надежностью, работающих в широкой полосе частот и обеспечивающих в заданном диапазоне минимальный шум, что необходимо для связных систем.

ВЫВОДЫ

Анализ литературы показал, что полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Полевой транзистор со времени своего изобретения и по сегоднешний день продолжает усовершенствоватся и находить применение в новых технологиях. Используя ресурс Интернет и литературу, рассмотрены некоторые области применения транзисторов, такие как:

1. Применение полевых транзисторов в импульсных источниках питания и стабилизаторах;

2. Использование полевых транзисторов для управления электродвигателями

3. Использование полевых транзисторов в усилителях звуковой частоты

Анализируя преимущества и пути использования, можно сделать выводы, что транзисторы в интегральных схемах уменьшатся в размерах, станут более быстродействующими, будут потреблять меньше мощности. Развитие транзисторной техники пойдет по двум направлениям: будут наращиваться рабочая мощность и рабочее напряжение транзисторов. В области низких уровней мощности все большую роль будут играть интегральные схемы. Цены на них будут и далее снижаться. Будет все больше расширяться круг применения интегральных схем в логических устройствах, системах контроля и управления, системах обработки информации для всех аспектов жизни человека и общества.

В 1960 были впервые созданы интегральные схемы всего лишь с несколькими транзисторами на микрокристалл. В 1976 степень интеграции превысила четверть миллиона. К 1980 этот показатель достиг почти миллиона, а в 2000 приблизился к 10 млн.

ЛИТЕРАТУРА

1. Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. - К.: Наук. Думка 1989. - 800с.

2. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М. : Радио и связь, 1984, - 80 с.

3. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова. - М. : Радио и связь, 1995, - 768 с.

4. Окснер Э. С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, - 288 с.

Размещено на Allbest.ru