Привет студент

В отличие от биполярных, полевые транзисторы (ПТ) основаны на дрейфе основных носителей тока в канале под действием разности потенциалов между истоковым и стоковым зажимами. Ток канала можно модулировать, изменяя напряжение затвора относительно истока. В зависимости от конструкции затвора ПТ делятся на два класса: с затвором в виде р-n-перехода (ПТ с управляющим переходом) и с изолированным затвором. Последние относительно затвора представляют собой структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и поэтому называются либо МДП (MOS в английской транскрипции) транзисторами, либо МОП-транзисторами (МОП — аббревиатура от «металл-окисел-полупроводник»). Для этих приборов также широко применяется название MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect Transistor), подчеркивающее, что управление каналом осуществляется электрическим полем. Оба класса ПТ широко распространены в силовой электронике и имеют «свои» предпочтительные области применения. МДП-транзисторы в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В первых ПТ проводящий токовый канал создан технологически («встроен»), и он, как и в ПТ с управляющим переходом, существует при нулевом напряжении на затворе, поэтому эти МДП транзисторы называют транзисторами обедненного типа. В МДП с индуцированным каналом токовый канал появляется только при подачи напряжения на затвор, поэтому эти приборы также называют транзисторами обогащенного типа. МДП обогащенного типа могут быть, как и любые другие ПТ, с каналом n-типа и с каналом p-типа, которые чаще всего создаются методом диффузии. Функционально эти два типа МДП-транзисторов являются аналогами n-р-n- и р-n-р-биполярных транзисторов соответственно. В современных устройствах электропитания наибольшее применение в качестве мощных токовых, ключей находят МДП-транзисторы с индуцированным n-каналом (DNMOS в английской транскрипции). В этих приборах для создания токового канала между стоком и истоком на затвор необходимо подать положительное напряжение относительно истока, большее некоторого порогового, т. е. приборы являются нормально закрытыми. Далее обсуждаются именно эти приборы.

Биполярные транзисторы (БТ) выпускаются двух типов: n-р-n и р-n-р. Первый (n-р-n) тип преобладает в силовой электронике и поэтому дальнейшее обсуждение транзисторов будет ориентировано на этот тип БТ.

Биполярные транзисторы получили широкое распространение в качестве регуляторов напряжения или тока. Транзисторы могут работать в линейном или ключевом режиме. В линейном режиме рабочая точка транзистора находится в активной области и под действием тока базы относительно медленно перемещается по нагрузочной линии. В режиме переключения рабочая точка «быстро» переходит из области отсечки (состояние низкой проводимости) в область насыщения (состояние высокой проводимости). Скорость и траектория перемещения зависят от параметров цепи нагрузки, частотных свойств транзисторов, значения и формы базового тока. Рассмотрим работу транзистора с активной нагрузкой.

На интервале времени [0, t₁] неуправляемый ток I_ко = I_кбо создает на базовом резисторе R_б отпирающее напряжение, приоткрывающее транзистор (рабочая точка О находится на границе области отсечки), поэтому для полного запирания транзистора необходимо задать отрицательный ток базы i_б = —I_кбо. При этом рабочая точка переместится на границу области отсечки, в точку Б.

К тиристорам относится класс полупроводниковых приборов, имеющих три или более р-n-переходов и обладающих бистабильной ВАХ. Наибольшее применение в устройствах электропитания находят трехэлектродные приборы с тремя р — n переходами. Такие приборы в литературе называют либо триодными тиристорами, либо просто тиристорами. В условиях нормальной работы тиристора в схемах электропитания при подаче на анод прямого напряжения (анод имеет положительный потенциал относительно катода) тиристор должен оставаться в закрытом состоянии до тех пор, пока на его управляющий электрод не будет подан импульс напряжения необходимой мощности (с полярностью плюс на управляющем электроде относительно катода). Время перевода из закрытого состояния в открытое (необходимое время действия отпирающего импульса), определяемое инерционными свойствами прибора, для большинства тиристоров измеряется единицами-десятками микросекунд. После перевода прибора в открытое состояние он, как и обычный диод, становится неуправляемым. Обратный переход тиристора в закрытое состояние начинается только после сброса практически до нуля его анодного тока. Время этого обратного перехода (восстановления запирающих свойств) тиристора превышает время включения в несколько раз, что практически исключает возможность применения тиристоров в качестве переключающих приборов в современных высокочастотных устройствах преобразования энергии.

Полупроводниковый диод является простейшим и наиболее распространенным типом переключающих приборов силовой электроники. В настоящее время применяются в основном полупроводниковые диоды с р-n-переходом и диоды с барьером Шоттки или барьером Мотта. Последние выгодно отличаются от полупроводниковых диодов с р-n-переходом прежде всего отсутствием накопления и рассасывания носителей заряда в базе диода, что и определяет их хорошие частотные свойства (меньшую инерционность процессов их переключения).

Статические свойства идеализированного р-n-перехода описываются уравнением Шокли

где Is — ток насыщения (тепловой ток), к которому стремится величина I при отрицательном значении напряжения на р-n-переходе; U —напряжение на диоде; U_T = KT/q —тепловой потенциал; К = 1,38 • 10^-23 Дж/°С — постоянная Больцмана; Т — температура; q — 1,6 • 10^-19 Кл — заряд электрона.

В современных устройствах электропитания полупроводниковые приборы чаще всего используются как «переключатели тока». Термин «переключатель тока» обозначает прибор с резко изменяющейся величиной проводимости под воздействием приложенных рабочих или управляющих напряжений. По международной терминологии эта группа приборов относится к классу вентилей (Semiconductor Valves) и, в свою очередь, делится на подгруппы, различающиеся рядом признаков (физические принципы токопроводности, степень управляемости приборов, особенности управления, быстродействие и др. ).

В неуправляемых ключах основным фактором, определяющим проводимость или состояние (включено/выключено), является полярность рабочего напряжения. В униполярных управляемых приборах (транзисторных ключах) проводимость определяется полярностью сигнала тока или напряжения, воздействующего на управляющий электрод.

Технические возможности ключей и эффективность их применения в тех или иных условиях определяется рядом параметров.

Развитие современных средств автоматизации характеризуется широким использованием полупроводниковых материалов. Полупроводники могут применяться для преобразования некоторых физических величин в электрический сигнал. На базе полупроводниковых диодов и транзисторов строят электронные схемы для усиления, передачи и преобразования электрических сигналов. Отличительной чертой таких схем является компактность, что особенно важно для судовых условий.

Полупроводниковые материалы. К полупроводниковым материалам относятся вещества, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре находится в пределах от, 10^-3 до 10⁹ Ом-м. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Наиболее широкое применение находят германий Ge и кремний St. Оба они относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева. Атомы их имеют на своей внешней оболочке по 4 валентных электрона.

Кристаллическая решетка четырехвалентных элементов имеет вид тетраэдра, как у алмаза. В углах и центре тетраэдра располагаются атомы. Каждый угловой атом является центральным для Других четырех ближайших. атомов. Расстояние до всех остальных атомов значительно больше. Связь каждого атома в кристалле с четырьмя соседними атомами осуществляется восемью электронами, из которых четыре «собственных», а четыре «чужих» — по одному от каждого соседнего атома. Поэтому при низкой температуре все валентные электроны. связаны, свободных электронов нет, и кристалл не может проводить электрический ток.