Классификация транзисторов
По основному полупроводниковому материалу
Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок, о графеновых полевых транзисторах
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»).
Рисунок 2.15 – УГО Биполярный транзистор
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
Рисунок 2.16 – УГО полевой транзистор
Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры:
¾ Биполярные;
¾ транзисторы n-p-n структуры, «обратной проводимости»;
¾ транзисторы p-n-p структуры, «прямой проводимости»;
¾ Полевые;
¾ с p-n переходом;
¾ с изолированным затвором;
¾ Однопереходные;
¾ Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона);
¾ Многоэммитерные транзисторы;
¾ Баллистические транзисторы;
¾ Одномолекулярный транзистор;
¾ Комбинированные транзисторы.
Транзисторы со встроенными резисторами (Resistor-equipped transistors (RETs)) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами.
Транзистор Дарлингтона — комбинация двух биполярных транзисторов, работающая как биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.
на транзисторах одной полярности
на транзисторах разной полярности
Рисунок 2.17 – УГО транзистор Дарлингтона
Лямбда диод — двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами.
По мощности
По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
¾ маломощные транзисторы до 100 мВт;
¾ транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт;
¾ мощные транзисторы (больше 1 Вт).
По исполнению:
¾ дискретные транзисторы;
¾ корпусные;
¾ для свободного монтажа;
¾ для установки на радиатор;
¾ для автоматизированных систем пайки;
¾ бескорпусные.
По материалу и конструкции корпуса:
¾ металло-стеклянный;
¾ пластмассовый;
¾ керамический.
Прочие типы
Биотранзистор — это транзистор, основанный на использовании биологически активных полимеров. Используется в сенсорных элементах, биотехнике, медицине, энергетике.
Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью.
Выделение по некоторым характеристикам
Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно — «прорыв в малом сигнале») — биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счёт изменения конструкции зоны эмиттера. Первые разработки этого класса устройств также носили наименование «микротоковые приборы».
Транзисторы со встроенными резисторами RET (Resistor-equipped transistors) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами. RET транзистор общего назначения со встроенным одним или двумя резисторами. Такая конструкция транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы применяются для контроля входного сигнала микросхем или для переключения меньшей нагрузки на светодиоды.
Применение транзисторов
Транзистор применяется в:
¾ 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.
¾ Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).
¾ Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме.
¾ Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. 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.
¾ Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.
¾ Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.
Резисторы
Резисторы являются элементами РЭА и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем.. Они предназначены для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы. Принцип действия резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему через них электрическому току. Особенностью резисторов является то, что электрическая энергия в них превращается в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.
Рисунок 2.18 – УГО Резистор
Одной из основных характеристик является рассеиваемая мощность. Рассеиваемая мощность - это мощность, которую резистор может рассеять без повреждения. Измеряется в ваттах. Находится по формуле мощность=ток2* сопротивление, или P = I2R
У каждого вещества есть свое сопротивление, у некоторых оно очень большое (дерево, пластмасса), у других маленькое (металлы, жидкости). Сопротивление зависит от материала (у золота оно будет меньше чем у алюминия), от длины проводника (зависимость прямая: чем длиннее тем больше сопротивление) и от площади среза проводника (чем площадь больше тем сопротивление меньше).
| Стандартное обозначение |
| 0.05 Вт |
| 0.125 Вт |
| 0.25 Вт |
| 0.5 Вт |
| 1 Вт |
| 2 Вт |
Рисунок 2.19 – УГО. Разновидность резисторов по мощности
Классификация резисторов
Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду ВАХ, по способу защиты и по способу монтажа, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.
¾ По назначению:
¾ резисторы общего назначения;
¾ резисторы специального назначения:
¾ высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100..400 В);
¾ высоковольтные (рабочие напряжения — десятки кВ);
¾ высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);
¾ прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001 — 1 %).
По характеру изменения сопротивления:
¾ постоянные резисторы;
¾ переменные регулировочные резисторы;
¾ переменные подстроечные резисторы.
¾ По способу защиты:
¾ изолированные;
¾ неизолированные;
¾ вакуумные;
¾ герметизированные.
По способу монтажа:
¾ для печатного монтажа;
¾ для навесного монтажа;
¾ для микросхем и микромодулей.
По виду вольт-амперной характеристики:
¾ линейные резисторы;
¾ нелинейные резисторы:
¾ варисторы — сопротивление зависит от приложенного напряжения;
¾ терморезисторы — сопротивление зависит от температуры;
¾ фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости;
¾ тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации резистора;
¾ магниторезисторы — сопротивление зависит от величины магнитного поля.
По технологии изготовления:
¾ Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитнуюиндуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода. Все остальные резисторы называются непроволчными резисторами;
¾ Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов;
¾ Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента;
¾ Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита;
¾ Интегральный резистор. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.
2.14 Расчёт надёжности
Эксплуатационные показатели – это характеристики, определяющие качество выполнения изделием заданных функций. Общими из них для всех изделий длительного действия являются показатели надежности (долговечности), динамичности качества, эргономические показатели и экономичность эксплуатации.
Надежность – это свойство объекта (например, изделия) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в допустимых пределах, соответствующих принятым режимам, условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность включает свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Показателями надежности являются вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов и др.
Вероятность безотказной работы P(t)– вероятность того, что в заданный момент времениt или в пределах заданной наработки, отказа в работе изделия не произойдет (отказ – событие, заключающееся в том, что изделие становится неспособным выполнять заданные функции с установленными показателями):
P(t) = N(t) / N0 (2.1)
где N0 – число изделий, работающих в начале испытаний,N(t) – число изделий, работоспособных в конце промежутка времени t.
Интенсивность отказов l(t) является функцией времени.
Типичный характер изменения интенсивности отказов l(t) изделий от начала эксплуатации до списания представлен следующим графиком:
l
3 t
I II3720 III
Рисунок 2.20 – Зависимость интенсивности отказов от времени
На рисунке 2.20 прослеживаются три основных периода работы изделия:
I период – период приработки. Повышенная интенсивность
отказов в этом периоде связана с дефектами конструкций, изготовления, сборки конечного изделия. С окончанием этого периода, как правило, заканчивается гарантийное обслуживания изделия. Многие компании и фирмы-производители не выпускают свою продукцию на рынок, пока изделие не пройдет период приработки.
II период - период нормальной работы. Интенсивность отказов в этом периоде остается практически постоянной и незначительной.
III период - период старения. В этот период интенсивность отказов резко возрастает, происходит изнашивание, старение и необратимые физические явления, при которых эксплуатация изделия не возможна или экономически не оправдана. Для большинства изделий вычислительной техники период их морального устаревания опережает физический.
Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения его соответствия требованиям, сформулированным в ТЗ. Расчет производится в следующем порядке. Исходными данными является интенсивности отказов элементов различных групп (справочные значения). Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов поотношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя в единицувремени (обычно за час).
Сущность расчета надежности состоит в том, чтобы определить основные критерии характеризующие надежность: время наработки на отказ Т0 и вероятность безотказной работы Р(t).
Элементы системы необходимо разбить на группы с одинаковыми интенсивностями отказов l и подсчитать внутри групп число элементов Мi .
Справочные значения интенсивностей отказов l некоторых элементов приведены в следующей таблице.
Таблица 2.1– Таблица интенсивности отказов
| Наименование элементов | Интенсивность отказов l (отказов/час) |
| Сопротивление | 0,015*10-5 |
| Конденсатор | 0,164*10-5 |
| Диод | 0,5*10-5 |
| Транзистор | 0,064*10-5 |
| Интегральная микросхема | 0,00001*10-5 |
| Трансформатор | 0,064*10-5 |
| Печатная плата | 3,6*10-5 |
Вычислим произведение Мi на l , характеризующее долю отказов, вносимых элементами каждой группы в общую интенсивность отказов системы:
li=Мi*l(2.2)
Общая интенсивность отказов системы состоит из интенсивностей отказов входящих в нее групп элементов:
N
lобщая = ålI (2.3)
i=1
где N – число групп с однотипными элементами.
Вычислим наработку на отказ. Наработка на отказ Т0– это показатель безотказности, равный отношению наработки восстанавливаемого изделия к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Следовательно, это величина обратно пропорциональна интенсивности отказов, то есть:
Т0=1/ lобщая (2.4)
Вероятность безотказной работы Р(t) – это математическое ожидание того, что в заданном интервале времени не произойдет отказа. Вероятность безотказной работы Р(t) связана с интенсивностью отказов l следующей формулой:
Р(t)= е-lt= е-t/To (2.5)
где е – это основание натурального логарифма;
е = 2.718281828459045… .
Кроме того, расчет надежности можно заменить графическим методом на координатной плоскости. На горизонтальной оси наносятся деления в соответствии с полученной наработкой на отказ Т0. На вертикальной оси отмечается точка Р(t)=1 и через нее проводится горизонтальная линия, а сама ось градуируется.
Через точку P(1) проводится горизонтальная линия. Линия
надежности определяется экспериментальным законом. На оси t откладывается T0 и эта величина сносится на горизонтальную линию, проведенную через точку P(1). Полученную точку соединяем прямой линией с точкой P(t)=1. Эта и есть линия надежности.
Для определения вероятности безотказной работы устройства в момент времени ti откладываем величину ti на оси t, сносим эту величину на полученную линию надежности, а затем на ось P и таким образом обнаруживаем P(ti) для заданного момента времени ti.
Например:
| Линия надежности |
P(t)=1
P(ti)
0,37
0 ti T0 t
Рисунок 2.21 – Линия надежности
Таблица 2.2 – Общая интенсивность отказов групп элементов
| Наименование элементов | Интенсивность отказов l (отказов/час) | Количество элементов | Общая интенсивность Отказов групп Эл-ов |
| Резистор | 0,00000015 | 0,0000078 | |
| Светодиод | 0,000005 | 0,00026 | |
| Переключатель кнопочный | 0,00000007 | 0,00000035 | |
| Блок питания | 0,00000064 | 0,00000064 | |
| lобщая = 0,00026879 |
Вычислим наработку на отказ:
Т 
=1/ lобщая = 1/0,00026879= 3720 ч.
Экономическая часть