Области применения и примеры применения транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад по электронике

Области применения и примеры применения транзисторов

Транзистор - полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. В связи с тем, что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности - полупроводниковая электроника.

Основными областями применения транзисторов являются радиоэлектроника, цифровая электроника, военная промышленность, тяжелая промышленность, бытовая техника, электроэнергетика, связь и т.д.

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п.

транзистор биполярный лампа

Рис. 1. Упрощенная схема лабораторного источника питания

Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.

Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.

Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов. Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.

Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов.

Рис. 2. Включение биполярного транзистора в ключевом режиме

Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

Рис. 3. Переделка узла управления для устройства плавного включения ламп накаливния

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Рис. 4. Схема включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером в усилительном режиме

Рис. 5. Стандартный усилительный каскад на биполярном транзисторе

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Почти любая неречевая информация и сама речь могут быть преобразованы устройствами для двоичного переключения. Рассчитав соответствующим образом схему, можно сделать так, чтобы за время некоего импульса тока коллектор достигал насыщения. При этом напряжение на коллекторном переходе, номинально равное 5 В, падает до нескольких десятых вольта. Когда же транзистор переходит в закрытое состояние, это напряжение возвращается к прежнему значению. Таким образом, у транзистора имеются два состояния - "открыто" и "закрыто", что соответствует 0 и 1 на языке логического переключения, поэтому транзисторы можно использовать как логические элементы. Транзисторы также обладают быстродействием и это открывает широкие возможности применения транзисторов для цифрового переключения.

Рис. 6. Схемы реализации логических функций на диодах и транзисторах

Рис. 7. Схемы базовых элементов ТТЛ и КМОП

Рис. 8. Объединение элементов с открытым коллектором по схеме «проводное ИЛИ»

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.

Наиболее распространены планарные кремниевые, полевые и кремниевые МОП-транзисторы. Широко применяются также такие разновидности транзистора, как триодные тиристоры и симисторы, которые играют важную роль в технике коммутации и регулировании сильных токов.

Примеры применения конкретных типов транзисторов:

Транзисторы с выращенными переходами. Для изготовления первых точечных транзисторов использовался поликристаллический материал с неоднородными характеристиками. Для выращенных переходов требовались германий с содержанием загрязнений менее 1*10-8 и технология, которая позволяла бы изменять содержание примеси. Транзисторами с выращенными переходами можно пользоваться для передачи низкочастотных сигналов, но они непригодны для цифровых схем и для коммутации. Однако приборы такого типа подтвердили правильность теории и указали путь к более сложным и совершенным транзисторам.

Сплавные плоскостные транзисторы. Сплавной плоскостной транзистор представляет собой тонкую пластинку германия, в которую с разных сторон вплавлены два шарика из индия, образующих эмиттер и коллектор Сплавной германиевый транзистор может служить хорошим электронным ключом (для диапазона низких и средних частот), так как сильно легированные области коллектора и эмиттера имеют очень низкое сопротивление (доли ома) и не ограничивают переключаемый ток. Однако его граничная частота тоже не превышает нескольких десятков мегагерц. К сожалению, такой транзистор непригоден для работы при высоких температурах (выше 70-80° C) из-за увеличения тока утечки (который удваивается при повышении температуры на каждые 12 К). Хотя на смену германиевому транзистору со сплавными переходами давно уже пришли кремниевые транзисторы, значительные количества их еще производятся для специальных применений, так как они сравнительно недороги и не требуют больших напряжений для смещения эмиттера в прямом направлении.

Высокочастотные германиевые транзисторы нашли применение в электронных схемах спутников связи и в подводных кабелях.

Тиристоры. Тиристор состоит из двух транзисторов (npn и pnp), расположенных так, что коллектор pnp-части тиристора является базой npn-части, а коллектор npn-части - базой pnp-части. Если инжектировать небольшой ток в базу npn-части, то он создаст для эмиттера прямое смещение, и возникнет ток эмиттера. Этот ток, собранный коллектором npn-части, становится током базы pnp-части, который вызывает появление тока эмиттера этой части. Такой процесс будет повторяться до тех пор, пока вокруг общего коллекторного перехода не соберется заряд, достаточный для нейтрализации связанного заряда, и тогда напряжение на нем понизится до уровня 0,7 В, соответствующего насыщению. Так происходит "включение" тиристора. "Выключается" же он при понижении тока ниже некоторого порогового уровня, называемого удерживающим током. Если сделать площадь эмиттера достаточно большой, то легко можно переключать колоссальные токи. Они изготавливаются для схем с очень высокими напряжениями и очень большими токами. Один тиристор может работать при напряжениях до 4000 В и токах до 4000 А. В преобразователях тиристоры соединяют в каскады, рассчитанные на четверть миллиона вольт и более. Также их используют в электронных ключах, управляемых выпрямителях, преобразователях (инверторы), регуляторах мощности (триммеры). Тиристоры пропускают ток только в одном периоде переменного тока; лишь с изобретением симистора появился настоящий полупроводниковый переключатель переменного тока для регуляторов электродвигателей, регуляторов освещенности и других устройств.

Рис. 9. Вариант регулятора с двумя встречно-параллельными тиристорами

Рис. 10. Вариант регулятора с симистором вместо тиристора

Симистор состоит из двух выполненных на одной кремниевой пластинке тиристоров, включенных параллельно, но противоположно. Один из тиристоров пропускает ток в одном полупериоде, а другой - в следующем. Для включения симистора предусматривается управляющий электрод. Чтобы выключить его, нужно прервать ток. Интересной особенностью симисторов является то, что они проводят ток любого направления и могут переключаться либо положительным, либо отрицательным управляющим сигналом.

МОП-транзисторы приобрели важное значение в электронной промышленности. С развитием промышленного рынка растут и требования к надежности ключевых приборов и устойчивости их к неблагоприятным воздействиям. От оборудования, в котором применяются большие аккумуляторные батареи (автокары, источники бесперебойного питания, переносные электроинструменты, велосипеды с электроприводом и прочие изделия, в которых используются электромоторы) требуется все большая надежность и КПД, и это при условиях роста потребляемой мощности и необходимости увеличения долговечности аккумуляторов, предъявляемых к новым разработкам. Требования устойчивости МОП-транзисторов к неблагоприятным воздействиям и малым потерям в них являются составной частью этих требований. Поэтому МОП-транзисторы используются фактически повсюду.

Полевые транзисторы широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах. За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, -- наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии. Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

ПТ с управляющим p-n-переходом

В таком полевом транзисторе контакты подводятся к полоскам в "кармане" высокоомного полупроводника n-типа. Наружная полоска является истоком; средняя полоска - сток - положительна относительно источника, так что от истока к стоку текут основные носители (электроны). Области затвора (p-типа) расположены в верхнем и нижнем слоях и соединены между собой диффузионно. В рабочем режиме на p-n-переход подается напряжение обратного смещения, так что в область n-типа распространяется зона обеднения. Изменяя обратное смещение на затворе, можно управлять шириной канала между затворами и модулировать ток. При достаточно большом напряжении происходит отсечка. Изменяя сочетания напряжений на затворе и стоке, можно сделать так, чтобы насыщение тока достигалось на любом постоянном уровне тока вплоть до нуля. ПТ с управляющим p-n-переходом отличается очень высоким входным импедансом и очень низким уровнем шума. Поэтому он хорошо подходит для входного каскада тюнеров-усилителей.

Недостатки и надежность. В таких применениях, как телефонное, спутниковое, автомобильное и промышленное оборудование, от транзисторов требуется очень высокий уровень надежности. Скромная АТС, например, насчитывает около миллиона компонентов (в том числе транзисторов, резисторов и конденсаторов). За год они наберут около 1010 ч наработки на компонент. Один отказ за миллиард часов наработки - желательная и достижимая в настоящее время интенсивность отказов - соответствует примерно одному отказу в месяц. Существуют два типа отказов: внезапные (обусловленные дефектами изготовления, такими, как непрочное скрепление и треснувшие микрокристаллы) и постепенные (которые могут быть вызваны диффузией контактных материалов и поверхностными процессами, причем то и другое подвержено температурному ускорению). Для типичных транзисторов доля внезапных отказов может достигать 0,1%. Но такие отказы случаются обычно на начальной стадии работы транзистора. Когда речь идет о транзисторах для особо важных систем, например спутниковых, внезапные отказы можно отсеять путем испытаний на ускоренное температурное старение или старение под нагрузкой, а также путем термоциклирования. Однако такие методы оправдывают себя лишь в случае особо ответственного оборудования. Постепенные отказы (когда повреждение накапливается) носят более фундаментальный характер. Эффекты, лежащие в их основе, можно собирательно назвать эффектами поверхностного заряда, хотя некоторые из них суть проявление связанного заряда на внутренней границе кремний -диоксид или поверхностных состояний, способных захватывать заряд; это могут быть эффекты, связанные с наличием подвижных ионов, например натрия, в диоксиде либо подвижных ионов или загрязнений на внешней стороне слоя диоксида или нитрида кремния. Тем не менее трудности, связанные с различными поверхностными зарядами, в основном устранены. Контроль за упомянутыми поверхностными эффектами доведен до такого уровня, что в качественно выполненных приборах они не представляют проблемы, и транзисторы pnp-типа столь же надежны, как и транзисторы npn-типа. Срок службы транзистора всегда укорачивает влага, остающаяся в газовой среде приборов, герметизированных в металлический корпус, и осаждающаяся на поверхности приборов, герметизированных пластмассой. Влага может придать подвижность поверхностным загрязнениям и тем самым привести к возникновению проводящих каналов. Это можно обнаружить, подав смещение на незагерметизированный транзистор и подышав на него. Если на поверхности транзистора имеется достаточно большой заряд, то ток утечки увеличивается и усиливаются пробойные явления, что указывает на образование проводящего канала. Но стоит снять напряжение и высушить поверхность, как транзистор восстанавливает свои характеристики. Влага также вызывает электролитическую коррозию металла электрода. Золото корродирует в присутствии даже малых количеств хлора (обычно в виде ионного остатка химического моющего средства, флюса или травильного раствора). Сверхвысокочастотные транзисторы и МОП-устройства легко повреждаются разрядом статического электричества. Для защиты от такого повреждения их выводы соединяют накоротко на время складского хранения и транспортировки.

Литература

1. Галкин В.И., Прохоренко В.А. Полупроводниковые приборы. Минск, 1979 Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984.

2. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю.; Под ред. проф. В.П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Р, 2002.- 512 с.

3. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. В.В. Бачурин, В.Я. Ваксембург, В.П. Дьяконов и др.; Под ред. В.П. Дьяконова.- М.: Радио и связь, 1994.- 280 с.

4. Ю. Ревич. Занимательная электроника. Санкт-Петербург. 2007 г.

Размещено на Allbest.ru