МДП-транзистори з вбудованим каналом

Рис. 3. Вихідні статичні характеристики (a) і статичні характеристики передачі (b) МДП-транзистора з вбудованим каналом.

У даній схемі в якості нелінійного елемента використовується МДП транзистор з ізольованим затвором і індукованим каналом.

У зв'язку з наявністю вбудованого каналу в такому МДП-транзисторі при нульовій напрузі на затворі (див. рис. 2, б) поперечний переріз і провідність каналу змінюватимуться при зміні напруги на затворі як негативної, так і позитивної полярності. Таким чином, МДП-транзистор з вбудованим каналом може працювати в двох режимах: у режимі збагачення і в режимі збіднення каналу носіями заряду. Ця особливість МДП-транзисторів з вбудованим каналом відбивається і на зсуві вихідних статичних характеристик при зміні напруги на затворі і його полярності (рис. 3).

Статичні характеристики передачі (рис. 3, b) виходять із точки на осі абсцис, відповідній напрузі відсічення U _ЗІотс, тобто напрузі між затвором і витоком МДП-транзистора з вбудованим каналом, що працює в режимі збіднення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення.

Формули розрахунку в залежності від напруги U _ЗИ

1. Транзистор закрито

Порогове значення напруги МДП транзистора

2. Параболічний ділянку.

-Питома крутість транзистора.

3. Подальше збільшення U _{3 u} призводить до переходу на пологий рівень.

- Рівняння Ховстайна.

 

6 Світлодіо́д (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету [1]. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, — які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло. Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду — електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням фотонів. Ефективність світлодіодів найбільше проявляється там, де потрібно генерувати потужні кольорові світлові потоки (світлові сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синю, зелену). 90% енергії світлового потоку, від лампи рожарювання, втрачається, при проходженні свтла через світлофільтр. Усі ж 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби. Більше того, близько 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання, витрачається на її нагрів, — для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна), на яку вони спроектовані. Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).

7 Электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) называют вакуумную электронную лампу, в которой поток электронов концентрируют в луч, направленный в сторону экрана. Обычно концентрацию (фокусировку) электронов в луч осуществляют либо воздействием электрического поля, либо магнитного поля. Электронно-лучевая трубка состоит из трёх важнейших частей – электронной пушки, системы отклонения луча и экрана.

Электронная пушка включает нить накала, разогревающую никелевый катод, испускающий в результате эмиссии электроны, которые собирает в луч модулятор, состоящий из металлического цилиндра с маленьким отверстием в центре одного из торцов.

Чтобы разогнать электроны до необходимой скорости, используют систему из двух анодов. На второй анод подают много большее напряжение (от единиц до десятков киловольт), чем на первый анод (сотни вольт). Кроме увеличения скорости потока электронов, аноды осуществляют некоторую его фокусировку, действуя как электростатическая линза. Затем электронный луч проходит между пластинами вертикального и горизонтального отклонения луча. Если приложить постоянное напряжение к одной из систем платин, то поток электронов будет смещён в сторону той пластины, к которой был подсоединён положительный полюс питания.

Внутреннюю поверхность экрана, выполненного из стекла, покрывают люминофором, т.е. веществом, попадая в которое электроны выбивают кванты света. Аквадагом именуют электропроводящее покрытие графитом поверхности колбы ЭЛТ, которое электрически подсоединяют ко второму аноду с целью поглощения вторичных электронов, которые возникают при достижении электронным лучом люминофора.

8 В ЭЛТ с электромагнитным управлением электронный поток фокусируют не пластины горизонтального и вертикального отклонения луча, а фокусирующая и отклоняющая катушки, которые надевают на колбу трубки, порождающие взаимно перпендикулярные магнитные потоки. Аноды при электромагнитном управлении лучом служат исключительно для его ускорения.

9 Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

10 Тринистори – керовані тиристори

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ А/с, напряжения — 10⁹ В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

 

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

 

 

Рис. 1.1.1. Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.

 

Рис. 1.1.2. Структура динистора.

 

 

Рис. 1.1.3. Структура тринистора.

 

1.2. Принцип действия

 

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3).

 

 

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора). Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора).

 

 

Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора. Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора.

 

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

11 триак

Симистор (или «триак» - от англ. triac) – полупроводниковый элемент, предназначенный для коммутации нагрузки в сети переменного тока. Он представляет собой "двунаправленный тиристор" и имеет три электрода: один управляющий и два основных для пропускания рабочего тока. Особенностью симистора является способность проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Рисунок 1 – обозначение симистора

 

Рисунок 2 – структура симистора

В отличие от тиристоров, триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. Это свойство позволяет симистору работать во всех четырёх секторах, как показано в рис. 3. (плюс и минус обозначают полярность затвора). Для управления режимом работы симистора используется низковольтный сигнал, подаваемый на управляющий электрод симистора. При подаче напряжения на управляющий электрод симистор переходит из закрытого состояния в открытое и пропускает через себя ток.

Симистор открывается, если через управляющий электрод проходит отпирающий ток или если напряжение между его электродами Т1 и Т2 превышает некоторую максимальную величину (на самом деле это часто приводит к несанкционированным срабатываниям симистора, происходящим при максимуме амплитуды напряжения питания). В режиме переменного питания смена состояний симистора вызывается изменением полярности напряжения на рабочих электродах Т1 и Т2

Симистор переходит в закрытое состояние после изменения полярности между его выводами Т1 и Т2 или если значение рабочего тока меньше тока удержания.

Все режимы работы симистора отображены на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Спецификация квадрантов.

 

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+,3-) предпочтителен отрицательный ток затвора по следующим причинам: во-первых, внутреннему строению переходов триака характерно то, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+. Во-вторых, при более высоком значении IGT (отпирающий ток управляющего электрода) требуется более высокий пиковый IG. При более длинной задержке между IG и током нагрузки требуется большая продолжительность IG. Кроме того, низкое значение dIT/dt (максимально допустимое изменения текущего тока после переключения) может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, ёмкостные нагрузки). Наконец, чем выше IL – ток срабатывания - (это относится и к квадранту 1-), тем большая продолжительность IG будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше IL.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3- квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.

Эти данные получены из графика вольтамперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот - см. Рис. 4

 

Рисунок 4 – ВАХ симистора

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных шумами и пульсациями, создаваемыми двигателями, цепи, использующие четырехкваднартные (4Q) триаки, должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (dV/dt) и, в некоторых случаях, необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации (dICOM/dt). Эти компоненты увеличивают стоимость устройства и его габариты. Кроме того, они могут также уменьшать надежность устройства.