Обратный транзистор: что это такое и как он работает

Что представляет собой обратный транзистор. Как он отличается от обычного транзистора. В каких режимах может работать обратный транзистор. Каковы особенности его применения.

Что такое обратный транзистор

Обратный транзистор представляет собой разновидность биполярного транзистора, в котором эмиттер и коллектор меняются местами по сравнению с обычным транзистором. То есть область транзистора, которая обычно выполняет роль коллектора, в обратном транзисторе становится эмиттером, и наоборот.

Основные отличия обратного транзистора от обычного:

• Обратное расположение областей эмиттера и коллектора
• Изменение полярности подключения
• Другие характеристики усиления и частотные свойства
• Возможность работы в инверсном активном режиме

Принцип работы обратного транзистора

Принцип работы обратного транзистора аналогичен обычному биполярному транзистору, но с некоторыми особенностями:

1. Ток управления подается на коллектор (который выполняет роль эмиттера)
2. Выходной сигнал снимается с эмиттера (который выполняет роль коллектора)
3. Полярность напряжений смещения обратная по сравнению с обычным включением
4. Коэффициент усиления по току обычно меньше, чем у стандартного включения

При этом базовая область остается управляющей, как и в обычном транзисторе. За счет изменения тока базы регулируется ток через транзистор.

Режимы работы обратного транзистора

Обратный транзистор может работать в следующих основных режимах:

1. Инверсный активный режим

Это основной режим работы обратного транзистора. В нем коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Транзистор работает как усилитель, но с меньшим коэффициентом усиления, чем в нормальном активном режиме.

2. Режим насыщения

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт и через него протекает максимальный ток. Используется для работы транзистора в ключевом режиме.

3. Режим отсечки

При режиме отсечки оба перехода закрыты обратным напряжением. Через транзистор протекает только очень малый обратный ток. Также применяется в ключевых схемах.

Возможность работы в инверсном активном режиме является главным преимуществом обратных транзисторов по сравнению с обычными.

Особенности применения обратных транзисторов

Обратные транзисторы имеют ряд особенностей, которые следует учитывать при их использовании:

• Меньший коэффициент усиления по току по сравнению с прямым включением
• Более высокое напряжение насыщения коллектор-эмиттер
• Худшие частотные свойства из-за большей емкости коллекторного перехода
• Возможность работы при более высоких напряжениях коллектор-эмиттер
• Необходимость изменения полярности источников питания в схемах

При этом обратные транзисторы обладают рядом преимуществ в определенных применениях, что делает их использование оправданным в ряде случаев.

Области применения обратных транзисторов

Обратные транзисторы находят применение в следующих областях:

1. Аналоговые ключи и коммутаторы
2. Схемы защиты от перенапряжений
3. Импульсные источники питания
4. Драйверы светодиодов
5. Схемы управления электродвигателями

В этих применениях используются такие свойства обратных транзисторов, как возможность работы при высоких напряжениях коллектор-эмиттер и способность выдерживать большие обратные токи.

Сравнение характеристик обычного и обратного транзисторов

Рассмотрим основные параметры обычного и обратного включения транзистора в сравнении:

Параметр	Обычное включение	Обратное включение
Коэффициент усиления по току (h21э)	50-300	5-30
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер	0.1-0.3 В	0.5-1 В
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер	20-100 В	40-200 В
Граничная частота	100-500 МГц	10-50 МГц

Как видно из таблицы, обратное включение уступает по ряду параметров, но имеет преимущество по максимальному допустимому напряжению.

Схемы включения обратных транзисторов

Рассмотрим основные схемы включения обратных транзисторов:

1. Схема с общим эмиттером

Это наиболее распространенная схема включения обратного транзистора. Она обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению.

2. Схема с общей базой

Данная схема применяется реже, в основном в высокочастотных усилителях. Она дает большое усиление по напряжению, но не усиливает ток.

3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Эта схема используется как согласующий каскад, так как обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением.

При использовании любой из этих схем необходимо учитывать особенности обратных транзисторов и корректировать номиналы элементов по сравнению с обычными транзисторами.

Измерение параметров обратных транзисторов

Для определения характеристик обратных транзисторов используются следующие методы измерений:

• Измерение статического коэффициента передачи тока
• Определение напряжения насыщения коллектор-эмиттер
• Измерение обратного тока коллектора
• Снятие входных и выходных вольт-амперных характеристик
• Измерение частотных свойств (граничной частоты, максимальной частоты генерации)

При измерениях важно учитывать обратное расположение областей транзистора и соответственно изменять схему измерений по сравнению с обычными транзисторами.

Особенности моделирования схем с обратными транзисторами

При моделировании электронных схем с обратными транзисторами следует обратить внимание на следующие аспекты:

1. Использование специальных моделей обратных транзисторов
2. Корректное задание полярности напряжений и направления токов
3. Учет повышенного напряжения насыщения
4. Моделирование работы в инверсном активном режиме
5. Проверка частотных свойств схем с обратными транзисторами

Правильный учет особенностей обратных транзисторов позволит получить корректные результаты моделирования и избежать ошибок при проектировании.

В чем различие между PNP и NPN транзистором?

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться  не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

• Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
• Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
• Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
• Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, U_Б должно быть выше, чем U_К и U_Э. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

Измерения параметров транзисторов

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ А. СОБОЛЕВСКИЙ Журнал Радио 12 номер 1971 год. http://chipinfo.ru/literature/radio/197112/p43-45.html Как оценить качество транзистора? Какие параметры транзистора надо знать, чтобы предугадать его работу в приемнике, усилителе? Как измерить эти параметры? Транзистор является трехэлектродным полупроводниковым прибором. В нем два р-n перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой, и коллекторный — между коллектором и базой. Упрощенная схема транзистора, структуры р-n-р изображена на рис. 1. Эмиттерный переход включен в прямом направлении — к эмиттеру подключен положительный, а к базе отрицательный полюса батареи Б1. Ток эмиттера Iэ, текущий через этот р-n переход, быстро растет с увеличением напряжения Uэб. Напряжение Uэб для маломощного транзистора не должно превышать нескольких долей вольта, иначе эмиттерный переход, будет разрушен. Коллекторный р-n переход включают, наоборот, в обратном направлении — к коллектору подключают минус, а к базе — плюс питающей батареи. Через переход идет небольшой обратный ток коллектора Iк0. У исправных маломощных транзисторов Iк0 не превышает нескольких микроампер, а у мощных транзисторов — сотен микроампер. Обратный ток коллектора практически не зависит от величины напряжения Uкб. При одновременном включении обоих р-n переходов транзистора, как это показано на рис. 1, ток цепи коллектора Iк значительно возрастет и будет слагаться из двух его составляющих: обратного тока коллектора Iк0 и части тока эмиттера, проходящей через эмиттерный и коллекторный переходы. Из рис. 1 видно, что не весь ток эмиттера Iэ превращается в ток коллектора, а часть его ответвляется в базу. Таким образом ток базы Iб=Iэ- Iк. Отношение величины тока коллектора к току эмиттера принято обозначать буквой α («альфа») и называть коэффициентом передачи тока: Так как ток коллектора Iк меньше тока эмиттера Iэ, то коэффициент α всегда меньше единицы. У хороших транзисторов коэффициент α весьма близок к единице (0,95—0,99). Вторая составляющая коллекторного тока равна αIэ, то есть ток коллектора Iк=αIэ+Iко. Ток эмиттера Iэ можно легко менять в больших пределах, изменяя напряжение Uэб. При этом будет изменяться и ток коллектора, так как его составляющая αIэ зависит от тока эмиттера. Но изменение тока коллектора происходит в цепи с большим, чем в цепи эмиттер-база, напряжением, и если сопротивление его нагрузочного резистора Rн достаточно большое (килоомы и более), на нем возникает значительное по величине падение напряжения. Следовательно, если амплитуда изменения напряжения в цепи эмиттерного перехода измеряется сотыми долями вольта, то в цепи коллекторного перехода она будет измеряться уже десятыми долями вольта, то есть произойдет усиление сигнала по напряжению и мощности. Поскольку коэффициент α всегда меньше единицы, поэтому транзистор, казалось бы, не дает усиления по току. Но это только в том случае, если общим электродом входной и выходной цепей транзистора является база, то есть транзистор включен по схеме с общей базой (см. рис. 1). Но транзистор можно включить по схеме с общим эмиттером (рис. 2), когда общим электродом входной и выходной цепей служит эмиттер. В этом случае входным током является ток базы Iб, и коэффициентом усиления транзистора, обозначаемым буквой β («бета»), будет отношением выходного тока коллектора Iк к току базы то есть Если в эту формулу подставить выражения для Iк и Iб, уже приведенные здесь, и пренебречь током Iк0, поскольку он очень мал по сравнению с составляющей коллекторного тока αIэ, коэффициент β можно подсчитать по формуле: Подставьте в эту формулу любое значение α, и вы убедитесь, что коэффициент β всегда больше единицы. Например, при α=0,9 коэффициент β=9. Таким образом, если при включении транзистора по схеме с общей базой происходит усиление по напряжению, то при включении его по схеме с общим эмиттером происходит усиление и по току, то есть входной ток базы Iб всегда меньше выходного тока коллектора Iк. Чем больше коэффициент β, тем, естественно, больше усиление входного сигнала. Итак, ток цепи коллектора слагается из составляющей αIэ, управляемой током базы Iб, и неуправляемой составляющей Iк0. Обратный ток коллектора Iк0 так мал, что говорить о том, что он снижает максимальную мощность транзистора и понапрасну растрачивает энергию, питания, можно лишь теоретически. Но беда в том, что ток Iк0 сильно зависит от температуры — такова его физическая природа. Этим он и наносит транзисторной аппаратуре большой вред. Если базу транзистора соединить с эмиттером через резистор небольшого сопротивления (500—1000 ом для маломощных транзисторов), то в коллекторной цепи установится начальный ток коллектора Iкн=Iк0x(β + 1). Это неуправляемая составляющая коллекторного тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Ток Iкн, как видите, зависит от тока Iк0 германиевых транзисторов. Ток Iк0 примерно удваивается на каждые 10°С повышения температуры. И хотя сам ток Iк0 невелик, но при его изменении увеличивается начальный ток коллектора Iкн, который больше его в β + 1 раз. Например, если ток Iк0 при температуре 20 °С составлял 5 мка, то при увеличении температуры транзистора до 40 °С ток Iк0 возрастет до 20 мка. Возрастание тока Iк0 на 15 мка — это еще не так много. Но если транзистор имеет коэффициент усиления β =25, то начальный ток коллектора изменится с Iкн1=5 (25+l) = 130 мка до Iкн2= 20 (25+1)=520 мка, то есть на 390 мка! При нормальной работе транзистора к неуправляемой составляющей тока коллектора добавляется управляемая составляющая Iб•β, в связи с чем общая формула коллекторного тока принимает такой вид: IК=IКН+ Iб•β. Таким образом изменение тока Iкн почти на 0,4 ма при увеличении температуры на 20 °С вызовет такое же изменение тока коллектора, а значит и изменение режима работы транзистора и всех параметров транзисторного каскада. Для борьбы с этим неприятным явлением в транзисторные каскады вводят специальные цепи, компенсирующие изменения токов, вызываемые колебаниями температуры окружающей среды и самого транзистора. Тем не менее транзистор стараются подобрать с возможно малым обратным током коллектора Iко, чтобы возможно меньшими были температурные изменения коллекторного тока. Что же касается начального тока коллектора Iкн, то он зависит как от величины обратного тока Iк0, так и от коэффициента β. Чем больше Iк0 и β , тем больше ток Iкн. Выбирая транзистор, надо особое внимание обратить на устойчивость токов Iк0 и IКн — они не должны изменяться самопроизвольно. Транзистор с нестабильными токами Iк0 и Iкн работает неустойчиво. Как же измерить токи Iк0 и Iкн? Схема для измерения тока Iк0 показана на рис. 3. На коллектор подается обратное напряжение UK= 2÷5 в. Резистор R0, ограничивающий ток, служит защитой измерительных приборов на случай, если транзистор окажется с пробитым коллекторным переходом. Сопротивление R0 выбирают из условия R0=0,1 Uкб/Iк0. Прибор mА должен показывать единицы микроампер. Измеренный ток Iк0 позволяет оценить качество только коллекторного перехода транзистора. А вот по начальному току коллектора Iкн, измеренному по схеме на рис. 4, можно судить о работоспособности уже всего транзистора, так как в этом случае включены оба его р-n перехода. Резистор Rб (для маломощных транзисторов — 500 — 1000 ом, для мощных — 1 — 2 ома) обязательно должен быть включен между базой и эмиттером, иначе результаты измерений будут искажены. Такие измерения можно производить вольтметром с очень высоким входным сопротивлением. Надо сказать, что в последнее время ведется работа по унификации обозначения параметров транзисторов. Ток Iк0 все чаще обозначают Iкбо к называют начальным током коллекторного перехода, а ток Iкн обозначают Iкзк и называют начальным током короткого замыкания. С измерением коэффициента усиления транзистора дело обстоит сложнее. Объясняется это тем, что для более точного определения коэффициентов α и β надо измерять не постоянные токи, как говорилось ранее, Iб, Iэ и Iк, а очень малые приращения этих токов, то есть производить измерения на переменном токе и при малом сигнале: при неизменном напряжении Uкб неизменном напряжении U кэ Эти коэффициенты зависят, кроме того, от тока эмиттера, поэтому для каждого типа транзистора рекомендуют определенный ток эмиттера, при котором значение коэффициента усиления близко к максимальному. Правда, коэффициенты усиления зависят и от напряжения на коллекторе, но слабо. Эта зависимость сказывается только при очень малых коллекторных напряжениях, при которых транзистор обычно не эксплуатируют, либо при очень больших напряжениях, близких к максимально допустимым. И хотя при повышенных напряжениях коэффициенты усиления резко увеличиваются, такой режим работы транзистора практически не используется, так как очень возрастает опасность пробоя коллекторного перехода. Итак, чтобы измерить коэффициент усиления транзистора, надо, во-первых, поставить транзистор в определенный режим работы по постоянному току, то есть установить необходимые UK3 и Iэ, а, во-вторых, вести измерение на переменном токе, измеряя малые приращения токов его электродов. Все это усложняет измерения и требует чувствительных и точных приборов, ибо измерять малые приращения токов не так-то просто. Радиолюбители обычно пользуются более простыми методами измерения коэффициента усиления транзистора. Чаще всего этот параметр измеряют на постоянном токе, то есть измеряют не α или β , а статический коэффициент усиления ВСТ, представляющий собой отношение ВСТ = IК/Iб но при условии, что ток коллектора и ток базы много больше тока Iко. Коэффициент Вст обычно не равен коэффициенту β при малых токах коллектора он меньше β при больших — больше. Ошибка не столь велика (не более 30—40%) и в любительской практике ею можно пренебречь. Радиолюбители часто коэффициент Вст измеряют при фиксированном токе базы Iб (рис. 5). В этом случае электроизмерительный прибор, включенный в коллекторную цепь транзистора, показывает ток коллектора Iк, который в Вст раз больше тока Iб. Шкалу прибора можно проградуировать непосредственно в значениях Вст. Казалось бы, просто, но за эту простоту приходится расплачиваться погрешностями измерения. Дело в том, что при таких измерениях не учитывается влияние начального тока коллектора Iкн=Iко (β+1), а ведь IH=IKH+Iбβ. Ток Iкн зависит от тока Iк0 и коэффициента β, следовательно, у разных транзисторов он будет неодинаков и внесет различную погрешность в измерения. Далее: предполагается, что ток базы всегда один и тот же, поскольку сопротивление Rб велико (ток базы определяют по формуле Iб= Uб/Rб и для маломощных транзисторов устанавливают равным 50—100 мка). Фактически же ток базы определяетЧтобы уменьшить искажения, надо измерять и ток базы, для чего прибор придется несколько усложнить (рис. 6). Пользуясь таким прибором, можно, во-первых, устанавливать два значения тока базы, например, 50 и 100 мка, а во-вторых, производить измерения таким образом, что будет уменьшена погрешность, связанная с влиянием тока Iко. Для этого сначала измеряют ток коллектора Iк1 при положении переключателя В на контакте -1 (ток базы Iб1), затем переключатель переводят в положение 2 и измеряют новые значения токов Iк2 и Iб2. Коэффициент Вст вычисляют по формуле: Кстати, коэффициент Вст можно измерять при фиксированном токе коллектора, как это показано на рис. 7. Переменным резистором R1 устанавливают ток Iк, равным, например, 1 ма, а шкалу этого резистора градуируют непосредственно в значениях Вст (исходя из предположения, что Вст=Iк/Iб). Резистор R2 ограничивает ток базы. Подобными простыми приборами вполне можно пользоваться, так как в подавляющем большинстве случаев радиолюбителя транзистор интересует прежде всего с точки зрения его работоспособности. Конечно, при их помощи нельзя определить, что транзистор, например, имеет коэффициент β именно 30, а не 25 и не 35. Но ведь такой точности радиолюбителю и не нужно, она необходима только для инженерных расчетов, когда сначала за письменным столом или на макете определяются допустимые отклонения коэффициентов усиления транзисторов для конкретного устройства, а затем в цехе проводится соответствующий подбор транзисторов. Радиолюбитель же обычно подбирает другие детали устройства под имеющиеся транзисторы, а не наоборот, как это бывает в промышленности. В заключение скажем, что по новой терминологии коэффициент α, измеренный на переменном токе в схеме с общей базой, обозначают h31б и называют коэффициентом передачи тока; коэффициент β, измеренный на переменном токе в схеме с общим эмиттером, обозначают h31э и называют коэффициентом передачи тока на малом сигнале, а коэффициент Вст обозначают h31э — то же, что h31э, но на большом сигнале. ЛИТЕРАТУРА В. П. Морозов. Радиолюбительские приборы дня проверки транзисторов. Изд-во ДОСААФ, 1965. В. А. Васильев. Радиолюбителю о транзисторах. Изд-во ДОСААФ, 1967. И. П. Жеребцов. Основы электроники. «Энергия», 1967. Транзисторы (справочник) под ред. И. Ф. Николаевского. «Связь», 1969. Справочник по полупроводниковым диодам и транзисторам под ред. Н. Н. Горюнова. «Энергия», 1968 Испытатель Транзисторов http://kazus.ru/shemes/showpage/0/92/1.html В испытателе всего два переключателя, которыми выключают питание и переключают его полярность в зависимости от структуры проверяемого транзистора. Кроме того, помимо определения статического коэффициента передачи h31э, обратного тока коллектора Iкбо, обратного тока эмиттера Iэбо транзистора, прибором можно проверять диоды и оксидные конденсаторы. При этом по стрелочному индикатору испытателя нетрудно определить обратный ток диода или ток утечки конденсатора.    Для проверки транзистора его выводы вставляют в гнезда XS1-XS3 и нажимают кнопку SB1 или SB2 в зависимости от структуры транзистора. Батарея GB1 подключается к деталям испытателя в той или иной полярности. Вступает в действие стабилизатор напряжения, составленный из стабилитрона VD1 и одного из балластных резисторов — R1 или R2. На базе соответствующего транзистора относительно подвижного контакта переключателя SB2.1 появляется стабилизированное напряжение. Оно необходимо для получения стабильного тока эмиттера испытываемого транзистора, при котором измеряется коэффициент передачи. В данном приборе этот ток выбран равным 3 мА (он зависит от сопротивления резистора R3).    В зависимости от коэффициента передачи тока испытываемого транзистора, в его базовой цепи, в значит, и через стрелочный индикатор РА1, будет протекать соответствующий ток. По отклонению стрелки индикатора и определяют коэффициент передачи.   Рис.1 Принципиальная схема     Кроме указанных на схеме, в приборе можно использовать другие кремниевые транзисторы соответствующей структуры и со статическим коэффициентом передачи тока не менее 30, а также другие кремниевые диоды (например, Д104А серий Д223, Д220) с прямым напряжением около 1 В. Постоянные резисторы — МЛТ-0,125, подстроенный — любой конструкции. Источник питания — батарея «Крона», переключатели — П2К с самовозвратом. Стрелочный индикатор — типа М906 с током отклонения стрелки на конечное деление шкалы 100 мкА и сопротивлением рамки 850 Ом. Подойдет и другой микроамперметр с аналогичными или близкими (по сопротивлению) параметрами.    Чтобы не заниматься градуировкой шкалы стрелочного индикатора (она сравнительно трудоемка), можно перенести на нее показания, приведенные на рис.2, либо составить градуировочную таблицу, в которой каждому значению тока индикатора будет указано соответствующее значение коэффициента передачи. Если шкала используемого микроамперметра других размеров, можно перенести на нее приведенные на рисунке значения известными способами (например, с помощью транспортира). Градуировку шкалы лучше всего проверить, подключая к гнездам прибора транзисторы с известным коэффициентом передачи.    После изготовления прибора соединяют проволочной перемычкой гнезда XS1 и XS2, а затем нажимают кнопку одного из переключателей. Подстроечным резистором R5 устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы — условный нуль отсчета коэффициента передачи. Если подстроечным резистором этого добиться не удается, подбирают резистор R4.    Чтобы измерить обратный ток коллектора транзистора структуры p-n-p, к прибору подключают только выводы базы и коллектора: первый — и гнезду XS2, второй — к гнезду XS1. Нажимают кнопку переключателя SB1. Для определения же обратного тока эмиттера вывод базы оставляют подключенным к гнезду XS2, а к гнезду XS1 вместо вывода коллектора подключают вывод эмиттера. При этой проверке нажимают кнопку переключателя SB2. Если же будет нажата кнопка переключателя SB1, стрелка индикатора отклонится до конечного деления шкалы.    Аналогично измеряют эти параметры у транзисторов структуры n-p-n, но нажимают в первом случае кнопку переключателя SB2, а во втором — SB1.    Проверяя диоды, подключают их выводы к гнездам XS1 и XS2. Тогда при нажатии одной кнопки стрелка индикатора отклонится до конечной отметки шкалы, а другой кнопки — на какой-то угол, соответствующий обратному току диода.    При проверке конденсаторов их выводы подключают к гнездам XS1 и XS2. Если плюсовой вывод конденсатора подключен к гнезду XS1, нажимают кнопку переключателя SB1. Ток утечки измеряют при установившемся положении стрелки индикатора.   Рис.2 Источник: Радио №5, 1987 г., стр.34 Автор: Н. Киверин, г. Яранск, Кировской обл. Достарыңызбен бөлісу:

Обозначение параметров биполярных транзисторов

ОБОЗНАЧЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ  БИПОЛЯРНЫХ  ТРАНЗИСТОРОВ  (ГОСТ  20003-74)

* Примечание. Частота, равная произведению модуля коэффициента передачи тока на частоту измерения, которая находится в диапазоне частот, где справедлив закон изменения модуля коэффициента передачи тока 6 дБ на октаву

Буквенное обозначение		Термин	Определение
отечественное	международное
IКБО	ICBO	обратный ток коллектора	ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера
IЭБО	IEBO	обратный ток эмиттера	ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора
IКЭО	ICEO	обратный ток коллектора при замкнутом выводе базы	ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы
IКЭК	ICES	обратный ток коллектора при короткозамкнутых выводах эмиттера и базы	ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и короткозамкнутых выводах эмиттера и базы
UКЭО гр	U(L) CEO	граничное напряжение биполярного транзистора	напряжение между выводами коллектора и эмиттера при токе базы, равном нулю и заданном токе эмиттера
UКЭ нас	UCE sat	напряжение насыщения коллектор-эмиттер	напряжение между выводами коллектора и эмиттера в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора
UБЭ нас	UBE sat	напряжение насыщения база-эмиттер	напряжение между выводами базы и эмиттера в режиме насыщени япри заданных токах базы и коллектора
h11э	—	входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером	отношение изменения напряжения на входе к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим эмиттером
h11б	—	входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с общей базой	отношение изменения напряжения на входе к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе транзистора в схеме с общей базой
h21э	—	коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме с общим эмиттером	отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим эмиттером
h22э	—	выходная полная проводимость биполярного транзистора в режиме малого сигнала при холостом ходе с общим эмиттером	отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному току в схеме с общим эмиттером
h22б	—	выходная полная проводимость биполярного транзистора в режиме малого сигнала при холостом ходе с общей базой	отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному току в схеме с общей базой
h21Э	h21E	статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	отношения постоянного тока к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером
fh31	—	предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора	частота, на которой модуль коэффициента передачи тока падает на 3 дБ по сравнению с его низкочастотным значением
fгр	fT	граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице *
fmax	fmax	максимальная частота генерации биполярного транзистора	наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в схеме автогенератора
Kш	F	коэффициент шума биполярного транзистора	отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами сопротивления источника сигнала
tрас	ts	время рассасывания для биполярного транзистора	интервал времени между моментом подачи на базу запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе транзистора достигает заданного уровня
tвкл	ton	время включения транзистора	интервал времени, являющийся суммой времени нарастания
Cэ	Ce	емкость эмиттерного перехода	емкость между выводами эмиттера и базы транзистора при заданных обратном напряжении эмиттер-база и режиме коллекторной цепи
Cк	Cc	емкость коллекторного перехода	емкость между выводами базы и коллектора транзистора при заданных обратном напряжении коллектор-база и режиме эмиттерной цепи
tк	tc	постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте биполярного транзистора	произведение сопротивления базы на активную емкость коллекторного перехода
термины, относящиеся к режимам эксплуатации (измерений)
IК	IG	постоянный ток коллектора	постоянный ток, протекающий через коллекторный переход
IЭ	IE	постоянный ток эмиттера	постоянный ток, протекающий через эмиттерный переход
IБ	IB	постоянный ток базы	постоянный ток, протекающий через базовый вывод
Pвых	Pout	выходная мощность биполярного транзистора	мощность, которую отдает транзистор в типовой схеме генератора (усилителя) на заданной частоте
термины, относящиеся к максимально допустимым параметрам
IК max	IC max	максимальный постоянный ток коллектора	—
IБ max	IB max	максимальный постоянный ток базы	—
IК, и max	ICM max	максимальный импульсный ток коллектора	—
IК нас max	IC sat max	максимальный постоянный ток коллектора в режиме насыщения	—
UЭБ max	UEB max	максимальное постоянное напряжение эмиттер-база	—
UКБ max	UCB max	максимальное постоянное напряжение коллектор-база	—
UКЭ max	UCE max	максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер	—
UКЭR max	UCER max	максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер	максимально допустимое постоянное напряжение между выводами коллектора и эмиттера при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер
UКЭ, и max	UCEM max	максимальное импульсное напряжение коллектор-эмиттер	—
UКБ, и max	UCBM max	максимальное импульсное напряжение коллектор-база	—
PК max	PC max	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора	—
Pи max	PRM max	максимальная импульсная рассеиваемая мощность биполярного транзистора	—
Pmax	Ptot max	максимальная импульсная рассеиваемая мощность транзистора	—

Ток через обратный смещенный переход в транзисторе [закрыт]

В первом приближении зона истощения диода с обратным смещением является просто изолирующей областью. Но это не объясняет коллекторное соединение транзистора. Нам нужно взглянуть на этот эффект изоляции более подробно.

По правде говоря, зона истощения не останавливает движение любых носителей заряда, найденных там. Вместо этого там (обычно) нет значительного количества носителей в первую очередь. Зона истощения представляет собой изолятор, похожий на пустой вакуум: напряжение на вакууме будет генерировать нулевой ток, однако любые заряды, вводимые извне, будут легко протекать.

В обратном диоде электроны с n-легированной стороны могут проникать в зону истощения. Но они будут вынуждены вернуться сильным электронным полем в этой зоне. То же самое происходит, если дыры со стороны р-легированного должны проникнуть в зону истощения: они снова отталкиваются.

Но что, если мы сбросили пучок электронов в сторону p-легированного диода? Конечно, многие будут поглощены дырами там. Но некоторые попадут в зону истощения, где их сильно вытеснят через перекресток и в сторону с n-легированием. (Чем больше напряжение обратного смещения, тем быстрее будут двигаться эти заряды.) Таким образом, сброс зарядов в неправильную сторону обратного диода вызовет большой ток.

И это именно то, что делают транзисторы: в NPN-транзисторе область эмиттера сбрасывает большое количество электронов в основание с p-легированием. С точки зрения перехода CE, эти электроны находятся на неправильной стороне диода. Некоторых проглатывают дыры, но большинство переходит в зону истощения. Если они касаются этого, он захватывает их и ускоряет их с полем полного напряжения Vcb, бросая их в область коллектора. (Их большое КЕ вызывает нагрев коллектора.)

Итак, хех, BJT очень похож на триод вакуумной трубки, где область Коллектора похожа на положительно заряженную металлическую пластину, а зона истощения перехода Коллектор похожа на вакуум с большим напряжением, помещенным поперек. И что еще хуже, с NPN-транзисторами, если вы заставляете изначально положительный Vbe становиться все более и более отрицательным, он отключает поток электронов, как это делает Grid-электрод.

4.2.      Принцип действия транзистора | Электротехника

Внешние напряжения в нормальном активном режиме подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллек­торного перехода – в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения U_ЭБ и U_КБ  (рис. 4.3, б). Для p—n—p-транзистора напряжение U_ЭБ подключается положительным полю­сом к эмиттеру относительно базы, напряжение U_КБ  – отрицатель­ным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p—n-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей преобладает над электронным потоком. Поэтому инжекцией из базы в эмиттер в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p—n-перехода используют коэффициент инжекции:

,

где  и  – дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода;  – полный ток эмиттерного перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи р-п-перехода электрический заряд, который в течение времени  компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника  . Аналогично заряд электронов в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору.

Если бы база была достаточно толстой (W > 3L, где L – диффузионная длина неосновных носителей в базе), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p—n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p—n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W << 0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы.

Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p—n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p—n-перехода несколько больше тока коллек­торного p—n-перехода.

Относительное число неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса:

,

где _{73_2.gif>} ,  – концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; ,  – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный p—n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации (), они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток коллектора был бы равен току эмиттера.

В действительности только часть () тока эмиттера составляют дырки и только часть их () доходит до коллек­торного перехода. Поэтому дырочная составляющая тока коллектора, вызванная инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равна

;                 ,

где  – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через коллекторный p—n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток I_ко. Причины его возникновения те же, что и в единичном p—n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи равен:

.                                                      (4.1)

Как известно, обратный ток создается дрейфом неосновных носителей за­ряда из близлежащих областей об­ратно включенного p—n-перехода. По­скольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от темпе­ратуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера ток I_ко не зависит.

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному пе­реходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному p—n-переходу приложить напряжение, изменя­ющее по этому закону ток эмиттера.

Рассмотрим качественную картину протекания токов через транзистор в рассматриваемой схеме (рис. 4.4). В соответствии с изложенным ток эмиттера () равен сумме дыроч­ной () и электронной () составляющих:

.

Ток кол­лектора () состоит из дырочной составляющей () и теплового тока ():

.

Ток базы () равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера (), рекомбинационной дыроч­ной составляющей () и теплового тока ():

.

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока () под действием подводи­мого входного тока  (или напряжения U^’_ЭБ), обусловливается измене­нием дырочной составляющей колл
екторного тока () за счет измене­ния дырочной составляющей эмиттерного тока  (рис. 4.4).

Таким об­разом, принцип действия биполярного транзистора основан на соз­дании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (вы­ходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока, следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Ток, текущий через эмиттерный переход (), яв­ляется управляющим током, or которого зависит ток  в цепи коллектора () – управляемый ток. Ток базы () представляет собой разность управляющего и управляемого токов (ток рекомбина­ции дырок в базе). Основные носители базы (электроны) при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллектор­ный переходы движутся в выводе базы в различных направле­ниях.

Иначе говоря, в рассмотренном режиме через транзистор про­текает сквозной ток: от эмиттера через базу к коллектору. Некоторая, незначительная часть этого тока (I_бp) вследствие рекомбина­ции в толще базы ответвляется в цепь базы (рис. 4.4).

Вообще говоря, током, текущим через транзистор, можно управлять, изменяя напряжение на любом из двух электронно-дырочных переходов. Однако, степень зависимости эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока от напряжений  и  в активном режиме различна.

К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, и поэтому ток через этот переход, а значит и коллекторный ток сильно зависит от напряжения , возрастая с увеличением этого напряжения по экспоненциальному закону. Таким образом, изменяя напряжение на эмиттерном переходе, можно легко и в значительных пределах управлять током, текущим в транзисторе.

Иным образом зависит значение этого тока от обратного нап­ряжения на коллекторном переходе. Даже если напряжение  = 0, дырки, прошедшие через базу и приблизившиеся к коллек­торному переходу, увлекаются диффузионным полем перехода () в коллекторную область. Подключение обратного напряжения  приводит к увеличению поля в коллекторном переходе до величины:

,

где  – поле за счет подключения напряжения .

Однако при этом коллекторный ток практически не изме­няется, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор переходят все дырки, которые приходят к коллектор­ному переходу и число которых определяется лишь числом инжек­тированных из эмиттера в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Таким образом, транзистор отвечает требованиям, которые предъявляются к электронным приборам (преобразователям электрических сигналов), он обладает: легкостью управления током в приборе сигналом в его входной цепи и по возможности меньшим влия­нием напряжения в выходной цепи на значение этого тока.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

          ,                                                      (4.2)

С учетом соотношения (4.1) ток  мож­но выразить через ток :                                  

.                                                (4.3)

Обратный затвор (электроника) — это… Что такое Обратный затвор (электроника)?

Обратный затвор — в электронике и физике полупроводников сильно легированная подложка, являющаяся хорошим проводником и используемая в составе полевого транзистора или иной гетероструктуры.

Как и обычный затвор, служит для управления концентрацией носителей в полупроводниковых структурах с двумерным электронным газом или двумерным дырочным газом.

Используется в тех случаях когда трудно сделать обычный затвор. Если подложка достаточно тонкая и поле не экранируется в непроводящем материале, то поле проникает до электронного газа. В этом случае можно обойтись без легирования и использовать металлическую пластину, которая также будет называться обратным затвором. Фактически, если поле не экранируется, то концентрация дырочно-электронного газа (который можно считать второй обкладкой конденсатора) зависит только от ёмкости системы.

В МДП-транзисторах четвертый электрод имеет название «подложка». Следует различать дискретные МДП-транзисторы, в которых электрод подложки (в этом случае он обозначен «bulk») работает наравне с другими электродами (то есть жестко индивидуализирован), и интегральные схемы на МДП-транзисторах в которых электрод подложки («substrate») является общим для всех МДП- транзисторов одного типа. Правда в случае технологии кремний на сапфире, электроды подложки также индивидуализированы для каждого интегрального МДП- транзистора.

Влияние электрода подложки на ВАХ МДП-транзисторов широко исследовалось в конце 70-х годов прошлого века.

См. также

Литература

1. Якимаха А. Л. Микромощные инверторы на МДН-транзисторах. Радиотехника, т.35, № 1, 1980, с.21-24.
2. Якимаха А. Л., Берзин Л. Ф. Триодный режим МДП-транзисторов. Изв. вузов СССР. Приборостроение, т.21, № 11, 1978, с.101-103.
3. Якимаха А. Л., Берзин Л. Ф. Эквивалентная схема p-n-p-n-структуры на комплементарных МДП-транзисторах. Радиотехника и электроника, т.24, № 9, 1979, с.1941-1943.

Обратный ток — эмиттерной переход

Обратный ток — эмиттерной переход

Cтраница 1

Обратный ток эмиттерного перехода в большинстве случаев мало влияет на работу ключа, поэтому его учитывать не будем.  [1]

Влияние обратного тока эмиттерного перехода / эо сказывается при инверсном включении транзистора. Такое включение используется в преобразователях и в некоторых импульсных схемах.  [2]

Ток / нас представляет собой обратный ток эмиттерного перехода.  [3]

Уменьшению остаточного напряжения при инверсном включении транзисторов способствуют увеличение а, уменьшение обратного тока эмиттерного перехода Igg, уменьшение сопротивления базы / g, уменьшение емкости переходов, уменьшение тока базы в открытом состоянии транзистора, уменьшение сопротивлений источника сигнала и входной цепи усилителя. Наиболее пригодны для ключевых модуляторов высокочастотные маломощные транзисторы с большими значениями коэффициента усиления по току.  [4]

Влияние температуры на входные характеристики ( см. рис. 4.15 и 4.16) обусловлено увеличением теплового обратного тока эмиттерного перехода с ростом температуры, чем объясняется увеличение входного тока.  [5]

Если к схеме, показанной на рис. 40, а, подключить эмиттерный переход транзистора, будет измерен обратный ток эмиттерного перехода.  [7]

Эмит-терный и коллекторный переходы транзистора смещены в обратном направлении. Обратный ток эмиттерного перехода, площадь которого очень мала, не учитывают.  [8]

Схема с транзисторными связями ( ТТЛ) по своим характеристикам приближается к элементу с непосредственными связями, но в ней несколько труднее обеспечить температурную стабильность. В элементе ТТЛ сопротивление коллектора необходимо для обеспечения пути тока / КБО и обратных токов эмиттерных переходов транзисторов связи.  [9]

Как показал опыт работы, катастрофические отказы могут быть вызваны также нарушениями режимов вплав-ления электродов и отклонениями от нормальной технологии, допущенными при обработке кристаллов. Так, у отдельных транзисторов П101 — П103 при термоцикли-ровании и работе в условиях отрицательных температур наблюдалось появление микротрещин в области эмиттер-ного перехода, вследствие чего резко увеличивался неуправляемый обратный ток эмиттерного перехода / Эбо — Подобные же дефекты, а также понижение пробивного напряжения при охлаждении германиевых транзисторов П210 являлись следствием микротрещин в области базы и были обусловлены различием температурных коэффициентов расширения германия и электродных материалов.  [10]

Другим способом подавления динамического и статического смещения является диодная фиксация потенциалов баз закрытых сверху триодов — например, шунтирование входов германиевых транзисторов кремниевыми диодами. В триггерах на дрейфовых триодах такая фиксация получается автоматически из-за пробоя эмиттерного перехода, который происходит при довольно низких обратных напряжениях. Так как обратный ток эмиттерного перехода при этом ограничен небольшой величиной, пробой перехода безопасен.  [11]

После лавинного запирания транзистора отрицательное напряжение на конденсаторе поддерживает транзистор в запертом состоянии. Когда напряжение на эмиттере превысит нулевой уровень и повысится до е б, транзистор снова переходит в активный режим и начинается лавинный процесс его включения. В данной схеме в перезарядке конденсатора С участвует не ток / ко, а обратный ток запертого эмиттерного перехода / эо, который при использовании несимметричных биполярных транзисторов в несколько раз меньше, чем / ко. Нестабильность величины / эо в силу малости этого тока меньше сказывается на стабильности зарядного тока. Стабильность частоты колебаний повышается. Другим недостатком является резкий спад вершины выходного импульса блокинг-генератора.  [12]

Схему блокинг-генератора рис. 4.21 а легко перевести в ждущий режим, если резистор R подключить к источнику напряжения запирающей полярности ( положительной для транзистора р-п — р и отрицательной для п-р — п), которое будет поддерживать транзисторы в закрытом состоянии до прихода запускающего импульса. В блокинг-генераторах транзистор иногда включают по схеме с общей базой, которая потенциально обладает лучшей температурной стабильностью. Объясняется это тем, что здесь времяза-дающая цепь RC включается в цепь базы и единственной причиной нестабильности является обратный ток эмиттерного перехода. В схеме с общим эмиттером к току разряда емкости добавляется еще одна составляющая — обратный ток коллекторного перехода / К ь имеющая тот же порядок нестабильности. Частотные свойства транзистора в этой схеме также значительно лучше. Дальнейшее уменьшение п сопряжено с потерей частотных преимуществ схемы и конструктивными сложностями.  [13]

На рис. 3 — 10 6 начальные участки эмиттерных характеристик изображены в увеличенном масштабе. Характеристики, снятые при КБ0 и / 0, проходят через начало координат. КБО, которое целиком приложено к эмиттерному переходу, что вызывает появление незначительного прямого тока эмиттера и соответствующее ( незначительное) смещение данных эмиттерных характеристик влево от начала координат. При некотором отрицательном напряжении U3B 0 в эмиттерной цепи устанавливается обратный ток 1 эъо, примерно равный обратному току эмиттерного перехода / ЭБО. Он представляет собой ток неосновных носителей и поэтому практически определяется концентрацией неосновных носителей ( дырок) в базе, имеющей меньшую концентрацию примеси в сравнении с областью эмиттера.  [14]

На рис. 3 — 10 6 начальные участки эмиттерных характеристик изображены в увеличенном масштабе. КБО, которое целиком приложено к эмиттерному переходу, что вызывает появление незначительного прямого тока эмиттера и соответствующее ( незначительное) смещение данных эмиттерных характеристик влево от начала координат. При некотором отрицательном напряжении [ / ЭБ 0 в эмиттерной цепи устанавливается обратный ток / эБО, примерно равный обратному току эмиттерного перехода / ЭБО. Он представляет собой ток неосновных носителей и поэтому практически определяется концентрацией неосновных носителей ( дырок) в базе, имеющей меньшую концентрацию примеси в сравнении с областью эмиттера.  [15]

Страницы:      1

Гитарные эффекты и обратный транзистор beta

Принцип работы транзистора довольно прост; непроводящий основной материал добавил к нему небольшое количество примесей, которые изменяют кристаллическую структуру (легирование). Это достигается путем добавления других элементов, таких как фосфор, сурьма, галлий или индий, в слои чистого кремния. Примесь одного типа создает избыток электронов проводимости (N-тип), в то время как другая примесь создает недостаток электронов (P-тип). Это позволяет транзистору проводить электрический ток при определенных условиях (полупроводимость).

Транзистор, такой как 2N5088, сделан путем подготовки пластины из N-материала для базы. Он маскируется и вытравливается в несколько этапов, которые в конечном итоге формируют три слоя структуры N-P-N транзистора.

Распространение примесей в каждый слой тщательно контролируется. Эпитаксиальные транзисторы, сформированные с помощью этого метода фотолитографии, обладают улучшенными свойствами для нормального использования. Поскольку материал коллектора полностью окружает меньший эмиттерный слой, и поскольку коллектор представляет собой слаболегированную область, а эмиттер — сильно легированную область, эффективность (прямое бета) улучшается, а обратное бета уменьшается.

Транзистор с переходом из сплава изготавливается с помощью другого процесса. Базовая пластина из очень чистого материала, такого как германий, полируется и разрезается до нужного размера. Он может содержать небольшое количество сурьмы, чтобы превратить его в материал N-типа. Очень маленькие гранулы индия помещаются на пластину, и при прохождении через печь с регулируемой температурой часть металлического индия диффундирует в германиевую пластину, что приводит к вливанию сплава P-типа. Гранула, используемая для коллектора, обычно будет в несколько раз больше, чем гранула эмиттера.Тонкие перемычки припаяны к индиевым таблеткам (коллектор и эмиттер) и германиевой подложке (основанию).

Примерами транзисторов с переходом из сплава являются OC44 и AC128. Эти устройства имеют гораздо большую обратную бета , чем типичные эпитаксиальные кремниевые транзисторы.

Существуют кремниевые транзисторы с переходом из сплава, такие как Raytheon CK793, но процессы производства диффузионной мезы (2N497, 2N1047) и планарного пассивированного эпитаксиального роста вскоре сделали их устаревшими.

Это типичный усилитель биполярного сигнала, используемый в гитарных эффектах. Подобные схемы схем можно найти в каждой книге по конструкции транзисторов, и эти значения компонентов используются во многих бутиковых педалях-усилителях. Это простая схема с общим эмиттером, которая обеспечивает большое усиление при небольшом потреблении тока.

С компонентами, показанными здесь, усиление будет около + 25 дБ (более 17x) при питании от батареи 9 В. beta транзистора (2N5088) на самом деле очень мало влияет на величину усиления этой схемы.

Читая статью в Electronic Design о транзисторной схеме для радиоприемника, я натолкнулся на фразу «обратная бета». Это сразу заставило меня подумать, что если транзистор может иметь обратную бета-версию, то он может получить выгоду от обратной конфигурации. Это привело меня к следующей схемотехнике.

В нашей новой схеме расположение всех компонентов осталось прежним, за исключением того, что транзистор был перевернут, так что он находится в необычном рабочем режиме.На первый взгляд вы можете подумать, что это эмиттерный повторитель, но, очевидно, это не так. Это усилитель на инвертированном транзисторе.

Если вы вернетесь к первой иллюстрации слоев P-N транзистора, можно увидеть, что, хотя производство устройства было оптимизировано для работы в одном направлении, нет ничего, что мешает нам использовать его в обратном направлении. Текущий поток по-прежнему идет от N-материала к N-материалу, при этом основной P-материал модулирует поток.

Некоторые значения компонентов были изменены, чтобы изменить смещение и обеспечить правильную работу схемы.В этой новой конфигурации бета обратного транзистора, которая довольно мала, оказывает прямое влияние на свойства схемы.

Измеренное усиление этой схемы на моей макетной плате составило +12 дБ (или 4x). На осциллографе усиленный сигнал выглядел чистым и чистым.

Какая польза от этой схемы? Что ж … транзистор будет иметь большее влияние на звучание схемы, поэтому можно будет попробовать разные устройства в этой настройке и получить различные тональные ароматы. При использовании других транзисторов вместо 2N5088 может потребоваться отрегулировать значение R1.

Тем не менее, наиболее интересный эффект возникает, когда эта обратная схема усилителя приводится в режим ограничения — она ​​полностью отличается от основной схемы с общим эмиттером! Перегруженный реверсивный усилитель генерирует беспорядок гармоник, отличный от других схем и конфигураций ограничения.

Схема слева иллюстрирует использование германиевого транзистора с переходом из сплава в конфигурацию обратного повышения. Транзисторы с сплавным переходом имеют большее обратное бета-коэффициент и дают больший коэффициент усиления.Обратите внимание, что в этой схеме используется положительное заземление, потому что транзистор является разновидностью PNP.

Еще раз, значение R1, возможно, придется отрегулировать, чтобы учесть изменения в отдельных транзисторах. Для любой из схем, показанных на этой странице, напряжение эмиттера постоянного тока должно составлять половину напряжения питания.

Цепи реверсивного усилителя мощности, показанные на этой странице, могут быть построены на печатной плате биполярного усилителя, продаваемой на этом сайте.

В этой статье есть множество идей, с которыми можно поработать, и еще много новых звуков, которые предстоит обнаружить, особенно когда схема перегружена.

Если вы используете эту схему, не забудьте указать ссылку на этот сайт. Спасибо!

Транзистор, открывающий цепь, обратный транзистор

Вот схема, которая включена по умолчанию и отключается при подаче напряжения на вход.

Когда вход является плавающим или заземленным, Q2 выключен, поэтому R2 работает как подтягивающий резистор, который включает Q1.

Когда на вход подается положительное напряжение, Q2 включается и пропускает ток через R2, что создает падение напряжения на R2, которое снижает напряжение, приложенное к базе Q1, и выключает его.

Это также можно сделать с помощью МОП-транзисторов с аналогичной логикой.

Истощающий МОП-транзистор делает то, что вы хотите. Расширенный полевой МОП-транзистор является более распространенным типом, которому требуется напряжение затвор-исток, чтобы начать проводить.

Характеристики МОП-транзистора с истощением можно увидеть на следующем графике.

И сравнение МОП-транзистора N с истощением и усилением на следующем графике

Изображения взяты из Введение в MOSFET в режиме истощения

Есть много способов сделать это.Несколько идей:

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Третий пример может потребовать некоторого объяснения, если вы не знакомы с полевыми транзисторами: обычно канал J1 открыт, но если вы приложите достаточно отрицательное (относительно земли) напряжение к затвору, он «защемится». МОП-транзистор в режиме истощения также будет работать как J1, но это довольно эзотерическая часть. Я не могу сказать, что когда-либо сталкивался с JFET, используемым в этом приложении, поскольку JFET обычно более дорогие, их нет в большом количестве в моем ящике с деталями, обычно они не могут переключать большие токи и т. Д.

Первый пример отлично работает, если напряжение нагрузки совпадает с напряжением логики. Не всегда так.

Средний пример просто демонстрирует инвертирование логики перед ее применением к вентилю M2. Здесь напряжение нагрузки может быть любым в пределах возможностей M2, показанным здесь как 24 В постоянного тока.

И, конечно же, M1 и M2 могут быть заменены их эквивалентами BJT с добавлением соответствующего резистора для ограничения тока базы.

Работа PN-переходов и изобретение биполярных транзисторов — Elec2210 Class Fall 2013 1.0 документация

Используйте панель навигации справа окна браузера для упрощения навигации .

Основы физики

Суть работа биполярного транзистора инжекция неосновного носителя .

Идеальный баланс дрейфа и рассеивания существует как для электронов, так и для дырок в переходе область PN-перехода при нулевом смещении или равновесии. Теперь давайте посмотрим, что происходит с этим балансом. когда применяется внешнее смещение, и как прямое смещение вызывает инжекция электронов на p-сторону и инжекция голограмм на n-сторона.В результате концентрация электронов увеличивается на p-стороне, концентрация дырок увеличена на стороне n, поэтому этот процесс называется впрыскивание неосновного носителя .

PN-переход с прямым смещением

Встроенное поле указывает с n-стороны на p-сторону, как силовые линии исходят от положительно заряженных ионизированных доноров, и оканчиваются на отрицательно заряженных ионизированных акцепторах.

Рассмотрите возможность применения прямого смещения, определяемого как напряжение на стороне p минус напряжение на стороне n разница.Применяемое поле противоположно встроенному полю, как показано ниже, таким образом ослабляя дрейф и вызывая чистая диффузия отверстий от стороны p к стороне n, и чистая диффузия электронов с n-стороны на p-сторону. Считается, что электроны, неосновные носители на p-стороне, инжектируются (со стороны n). Дырки, неосновные носители на n-стороне, как говорят, вводятся (со стороны p).

Рисунок 1: pn-переход с прямым смещением

На p-стороне много дырок, на n-стороне много электронов, поэтому этот ток может быть очень большим при достаточном прямом смещении.Фактически прямой ток увеличивается экспоненциально с увеличением, с тепловым напряжением, приблизительно 25 мВ при 300 К.

PN-переход с обратным смещением

Если, говорят, что соединение находится под обратным смещением. Применяемое поле имеет то же направление, что и встроенное поле, как показано ниже:

Рисунок 2: pn-переход с обратным смещением

Следовательно, дрейф преобладает над диффузией, как для электронов, так и для дырок. Тогда чистый ток будет течь от n-стороны к p-стороне, интуитивно удовлетворительно.

Обратный ток, однако, очень мал по величине. Электроны дрейфуют против поля, то есть от стороны p к стороне n. Однако на p-стороне электронов меньшинство, и, таким образом, у нас нехватка электронов. Точно так же дырки дрейфуют вдоль поля, от n-стороны к p-стороне, но на n-стороне очень мало дыр.

PN-переход с обратным смещением может пропускать ток!

PN-переход с обратным смещением может пропускать столько же тока, сколько и прямой смещенный PN переход может! Именно так мы делаем транзисторы из PN-переходов, как показано ниже.

Ключ в том, что обратносмещенный переход не пропускает ток из-за отсутствия источников питания. Если мы используем PN-переход с прямым смещением для подачи электронов на p-сторону PN-перехода с обратным смещением, все эти электроны пройдут через обратный PN-переход. Эта конфигурация известна как транзистор «NPN».

Например, в состоянии равновесия, если на стороне n, n =, но , в соответствии с законом о массовых действиях, с. Легко понять, почему обратный ток PN перехода мал.

Мы различали электронные и дырочные токи в PN-переходе. С точки зрения схемы, как только эти токи выходят из устройства, они оба становятся электронный ток в металлической проволоке. Так какой смысл их различать вечером, если мы не можем разделить их?

А теперь подумайте об изобретении устройства, которое может разделить электронный и дырочный токи. Транзистор делает именно это.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим переход с прямым смещением (N слева, P справа — по-прежнему PN переход), и обратный смещенный переход, большой ток течет в прямом PN, и небольшой ток течет в PN с обратным смещением.Тогда приблизь их, так что p-области становятся единой p-областью, Теперь мы можем заставить протекать через обратный смещенный переход много тока!

Рисунок 3: сущность действия транзистора

Обратносмещенный переход имеет очень сильное электронное поле. Это электронное поле перемещает (притягивает) электроны к n-стороне второй N-области, но совсем не притягивает дырки. Это поддерживает очень низкую концентрацию электронов в конце p-области. Для всех практических целей это электронное поле является стоком для электронов, как и контакт.

Теперь мы отделили электронный ток от дырочного в прямом смещенном PN-переходе.

Первая N-область называется эмиттером (электронов), поскольку она излучает электроны, вторая N-область называется коллектором (электронов), поскольку она собирает электроны.

p-область называется базовой по историческим причинам. Биполярный транзистор NPN возрождается! Мы можем перерисовать предыдущую иллюстрацию работы транзистора, используя Терминология транзисторов следующая:

Рисунок 4: Работа транзистора в прямом активном режиме и эквивалентная схема

Мы можем спроектировать уровни легирования / ширину базы, эмиттера, чтобы увеличить ток коллектора. больше, чем ток коллектора, чтобы реализовать усиление тока.

Транзистор под общим предубеждением

Потоки электронного и дырочного тока

В соответствии с общими ошибками, нам нужно будет рассмотреть профили концентрации неосновных носителей заряда. модулируется двумя смещениями перехода, VBE и VBC, соответственно. Согласно теории Шокли, концентрация неосновных носителей заряда модулируется экспоненциальный фактор в точках нагнетания, т.е. граница между истощением и нейтральные регионы, как показано ниже:

Рисунок 5: транзистор при произвольном смещении VBE и VBC

У нас будет два дырочных тока за счет инжекции дырок из базы p-типа в эмиттер и коллектор n-типа.

В каком направлении поток электронов будет зависеть от того, где VBE или VBC выше. Если VBE> VBC, электроны диффундируют от E к C, и электронный ток течет от C к E.

Ток диффузии электронов, протекающий от C к E, можно рассчитать следующим образом:

Рисунок 6: расчет тока переноса электронов между C и E для произвольных смещений VBE и VBC

Два дырочных диффузионных тока, которые текут от B к E и от B к C, могут быть рассчитывается аналогично.

Рисунок 7: ток отверстия от B к E и от B к E для произвольных смещений VBE и VBC

Мы часто выражаем токи насыщения дырочных токов через ток насыщения основного электронного тока, с двумя отношения, BF и BR. Их называют усилением прямого и обратного тока.

Режимы работы

Активный режим вперед

Когда VBE> 0, VBC <0, транзистор работает в прямом режиме. Коллекторный ток IC - это в основном электронный ток, подаваемый из эмиттера.Базовый ток - это в основном дырочный ток, вводимый в эмиттер из базы. Небольшое изменение в VBE, которое контролирует IB, также вызывает большое изменение в IC.

Обратный режим

Когда VBC> 0, VBE <0, транзисторы работают в обратном режиме.

Режим насыщенности

Когда VBE> 0 и VBC> 0, транзистор работает в режиме насыщения. VCE = VCB + VBE = -VBC + VBE мало, около 0,2 В или около того для практических транзисторов. Между C и E. все еще может протекать большой ток.Эффективное сопротивление между C и E, таким образом, мало, и транзистор действует как замкнутый переключатель.

Режим отсечки

Когда VBE <0 и VBC <0, транзистор работает в режиме отсечки. Все равно значительного тока нет.

Практические режимы работы

Приведенные выше определения очень упрощены и на самом деле не отражают, как мы используем транзисторы в реальных схемах. Например, VBE 0,5 В и VBC -2 В не дадут много полезного тока, и это действительно условие отсечки для большинства практических схем.

Другой пример: VBE 0,8 В и VCE 0,3 В перейдут в режим насыщения, если вы следовать стандартному определению учебника, но на самом деле передний VBC (0,5 В) незначителен по сравнению с VBE (0,8 В) при определении тока переноса электронов между C и E. Это действительно в прямом активном режиме. Мы действительно используем такое смещение в усилителях, особенно с малым напряжение питания всего 1 В.

Автоматический тестер транзисторов вторичного пробоя обратного смещения

J Res Natl Inst Stand Technol.1991 май-июнь; 96 (3): 291–304.

Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд 20899

Журнал исследований Национального института стандартов и технологий является публикацией правительства США. Документы находятся в общественном достоянии и не защищены авторским правом в США. Статьи из J Res могут содержать фотографии или иллюстрации, авторские права на которые принадлежат другим коммерческим организациям или частным лицам, которые нельзя использовать без предварительного разрешения правообладателя.

Abstract

Описан автоматизированный прибор для неразрушающего построения кривых для области обратного смещения и безопасной работы транзисторов. Обращается внимание на новый метод обнаружения второй поломки, который делает возможной автоматизацию. Обсуждаются методы снижения нагрузки на тестируемое устройство, а также ряд других инноваций, улучшающих автоматизацию. Описываются измерения с помощью тестера и обсуждаются ограничения неразрушающего контроля.

Ключевые слова: автоматическое испытание , перерегулирование фиксатора, лом, быстрое переключение, неразрушающая, схема защиты, обратное смещение, безопасная рабочая зона, второй пробой, транзистор

1.Введение

Высоковольтные транзисторы, переключающие мощность, используются в самых разных областях, включая преобразование энергии, управление движением и электронное зажигание. Критическим элементом для определения производительности и надежности этих транзисторов является их отключаемая способность. В большинстве приложений, использующих высоковольтные переключающие транзисторы, требуется, чтобы транзистор отключался из состояния сильноточной проводимости при низком напряжении с цепью нагрузки, которая может быть в некоторой степени индуктивной.Часто во время выключения напряжение повышается до высокого значения до того, как ток начинает падать, и есть период времени, когда транзистор испытывает очень высокий уровень пикового рассеивания мощности. Если определенная комбинация тока и напряжения превышает коммутационную способность транзистора, он может выйти из строя во второй раз и разрушиться. Желательно иметь испытательное оборудование, которое может проверять транзисторы путем моделирования условий, типичных для фактического использования в схемах, и особенно желательно, чтобы проверка была неразрушающей, чтобы можно было использовать один транзистор для определения кривой безопасной рабочей области.

Оборудование для проверки отключающей способности высоковольтных переключающих транзисторов было описано ранее [1–3], и обсуждались различные данные, полученные с таких тестеров [4, 5]. Эти предыдущие тестеры трудно использовать, потому что каждый тест требует нескольких этапов настройки, и при обнаружении неисправности требуется субъективная интерпретация. В этой статье описывается новый тестер, который был разработан для автоматизации процесса измерения обратного смещения в безопасной рабочей области.Тестер был разработан как автономный прибор, который можно использовать вручную или с компьютером с контроллером интерфейса IEEE-488. В этой статье рассматриваются специальные методы, необходимые для автоматизации измерения безопасной рабочей зоны по обратному смещению. Детали схемы, включая полный набор схематических чертежей, опубликованы в другом месте [6].

2. Автоматический тестер

— это блок-схема тестера. Этот тестер, как и другие, работает путем соединения тестируемого устройства (DUT) в конфигурации с общим эмиттером (истоком) с источником напряжения и индуктором нагрузки в цепи коллектора (стока).ИУ включается на время, достаточное для зарядки индуктора до требуемого испытательного тока. Затем устройство выключается. Коллапсирующее поле в катушке индуктивности вызывает повышение напряжения коллектора до уровня, при котором устройство может выйти из строя. По мере роста напряжения на тестируемом устройстве либо напряжение будет ограничиваться внешним ограничителем, наложенным тестером, что позволяет устройству безопасно выключиться, либо устройство может начать сходить лавино с или без входа в нормально разрушительный второй пробой.Второй пробой характеризуется внезапным падением напряжения. Если в ИУ произойдет второй пробой, оно будет разрушено, если только ток и напряжение не будут удалены очень быстро. Успех измерения пробоя в значительной степени зависит от скорости отвода тока от ИУ после начала второго пробоя. Автоматический тестер включает в себя детектор быстрого пробоя и шунтирующую цепь «лом», которая отводит до 100 А испытательного тока от ИУ в течение 65 нс после падения напряжения устройства.Время отвода тока включает как задержку распространения в цепи, так и время спада тока и уменьшается примерно до 30 нс для испытательных токов ниже 40 А. Скорость нарастания напряжения лома составляет 200 В / нс. Максимальное испытательное напряжение составляет 2000 В, и напряжение зажима может быть установлено на любом уровне до этого максимального напряжения.

Блок-схема тестера.

Базовые схемы управления (затвор) ИУ представляют собой источники постоянного тока, которые могут потреблять и потреблять до 25,5 А каждый для включения и выключения устройства, соответственно.Настраиваемая схема фиксации привода позволяет устанавливать ограничения по напряжению для предотвращения пробоя база-эмиттер и обеспечивает подачу напряжения при тестировании стробируемых МОП-устройств.

Хотя конкретные детали и рабочие характеристики различных более ранних тестеров отличаются от тех, которые характеризуют этот тестер, большинство тестеров имеют те же базовые строительные блоки, что и описанные до этого момента. Для автоматизации теста обратного смещения необходимы некоторые дополнения и уточнения по сравнению с тестерами с ручным управлением.Наиболее важные улучшения, которые необходимо внести, касаются схемы защиты, которая обнаруживает второй пробой и отводит ток от ИУ при возникновении пробоя.

2.1 Детектор пробоя

В настоящее время обычно используются два метода неразрушающего контроля обратного смещения. В одном методе используется детектор d V / d t , который определяет падение напряжения с помощью небольшого конденсатора, подключенного к усилителю, который, в свою очередь, управляет ломовым переключателем, который шунтирует ток вокруг DUT.Другой метод — это схема до срабатывания триггера, которая всегда запускает лом во время теста на пробой. Эта схема требует нескольких тестов, при которых задержка срабатывания регулируется небольшими приращениями до тех пор, пока не будет обнаружен сбой. Первый метод более быстрый, поскольку не требуется многократных испытаний для определения наличия пробоя, а второй метод менее требователен к скорости цепи лома. и осциллографы форм сигналов напряжения и тока устройства, снятые с помощью нового тестера, которые демонстрируют проблемы с вышеуказанными методами, когда рассматривается автоматизация.

Осциллограммы напряжения и тока, показывающие выброс напряжения для быстрого отключения полевого МОП-транзистора. Верхняя линия: 100 В на малое деление; нижняя кривая: 5 А на малый делитель; время: 50 нс на малый дел.

Осциллограммы напряжения и тока для устойчивой лавины со вторым пробоем в полевом МОП-транзисторе. Верхняя линия: 100 В на малое деление; нижний след: 10 А на малый дел .; время: 20 нс на малый дел.

показывает формы сигналов напряжения и тока, когда силовой полевой МОП-транзистор на 500 В выключается очень быстро. Сильный выброс напряжения, достигающий пика 480 В, можно увидеть, даже если напряжение фиксации было установлено на 180 В.Однако поломки не произошло. Перерегулирование вызвано паразитной индуктивностью и задержкой включения диода в цепи ограничения при наличии высокого значения d I / d t . показывает формы сигналов напряжения и тока для фактического второго пробоя полевого МОП-транзистора на 200 В. Детектор d V / d t , который достаточно чувствителен для обнаружения падения напряжения при втором пробое, будет ложно срабатывать из-за перерегулирования там, где пробоя не было. Ясно, что ложные показания неисправности недопустимы при автоматизации испытаний для зоны безопасной работы с обратным смещением.

Осциллограммы напряжения и тока для второго пробоя полевого МОП-транзистора на 200 В. Верхняя линия: 100 В на малое деление; нижний след: 10 А на малый дел .; время: 50 нс на малый дел.

показывает формы сигналов напряжения и тока для силового полевого МОП-транзистора, который выдерживает лавину в течение 220 нс перед вторым пробоем. Автоматизировать тестер, основанный на схеме предварительного запуска, очень сложно для отложенных отказов, потому что требуется субъективная интерпретация, чтобы определить, является ли падение напряжения результатом второго пробоя или срабатывания лома.Еще одна проблема заключается в том, что время, в течение которого устройство остается в лавинном режиме, часто зависит от временного дрожания от теста к тесту.

Поэтому была разработана уникальная схема детектора пробоя, которая использует напряжение и ток для определения наличия второго пробоя. упрощенная схема лома обнаружения и защиты от поломки. Половина двойного триода используется как диодный детектор, а другая половина — как компаратор. Вход (+) компаратора (катода) становится отрицательным при падении напряжения на ИУ, таким образом, выходная пластина становится отрицательной, и лом срабатывает, если на входе (-) (сетка) нет отрицательного напряжения на выходе измерительного трансформатора dI / dt. что определяет наличие увеличивающегося тока фиксации.Таким образом, увеличение тока фиксации блокирует зажигание. Вакуумные лампы используются из-за присущей им высоковольтной способности и низкой межэлектродной емкости. Лампы не имеют проблем с восстановлением, не нуждаются в защите от перенапряжения и имеют непревзойденную скорость.

Упрощенная схема, показывающая критические элементы детектора пробоя и цепи лома.

2.2 Методы повышения производительности лома

также показывает некоторые дополнительные важные функции. Есть два набора фиксирующих диодов, между которыми помещен лом.Во время тестирования диоды, ближайшие к тестируемому устройству, имеют обратное смещение в максимально возможной степени, чтобы поддерживать низкую паразитную емкость в тестовой арматуре. На катод лома подается большое отрицательное напряжение для увеличения скорости отвода тока от ИУ. Обратный блокирующий диод и насыщающийся индуктор работают вместе, чтобы уменьшить реверсирование тока в ИУ при срабатывании лома. Фактическая схема лома использует 16 вакуумных трубок, соединенных параллельно, которые проводят ток в течение нескольких сотен наносекунд, после чего SCR (не показаны) берут на себя функцию лома.Напряжение ИУ измеряется через резистор 470 Ом для уменьшения паразитной емкостной нагрузки. Этот резистор вызывает незначительное ухудшение полосы пропускания системы измерения напряжения.

2.3 Тестовый ток устройства и тестовая нагрузка

В тестерах с ручным управлением тестовый ток обычно устанавливается путем проведения серии тестов с достаточно низким напряжением фиксации, чтобы предотвратить пробой. Ток регистрируется на осциллографе и увеличивается или уменьшается до желаемого уровня путем регулировки времени включения или напряжения питания.Желательной функцией для автоматизации испытания в безопасной рабочей зоне обратного смещения является возможность использовать ток ИУ в качестве независимой переменной. Испытательный ток определяется рядом факторов, включая продолжительность включения ИУ, эффективное сопротивление устройства во включенном состоянии, сопротивления в цепи нагрузки и напряжение питания. Этот тестер включает в себя детектор ограничения тока, который соединен с генератором по времени. Во время ручных или автоматических тестов время включения может быть установлено на максимальное значение, и когда ток ИУ нарастает и достигает желаемой текущей уставки, время включения прекращается, тест выполняется, и новое значение своевременности сохраняется для последующих тестов.

Хотя в принципе нагрузкой для ИУ является просто индуктор, использование нескольких последовательно соединенных индукторов с разными значениями и характеристиками насыщения позволяет проводить автоматические измерения в более широком диапазоне токов. показывает нагрузку на устройство, используемую в тестере. Катушка индуктивности 100 мкГн является линейной до полного испытательного тока тестера 100 А. Индуктор 300 мкГн насыщается при 15 А, а индуктор 1 мГн насыщается при чуть менее 1 А.

Цепь нагрузки

для тестируемого устройства.

Катушка индуктивности 1 мГн работает вместе с четырьмя диодами и конденсатором 260 пФ, чтобы предотвратить быстрое падение напряжения на ИУ до нуля, когда ток в катушке индуктивности 100 мкГн достигает нуля. В противном случае такой быстрый переход напряжения был бы обнаружен как поломка устройства. Резисторы, связанные с этой цепью L-C-диодов, используются для демпфирования. Катушка индуктивности 1 мГн должна хранить достаточно энергии, чтобы гарантировать, что конденсатор 260 пФ останется в заряженном состоянии, когда ток упадет до нуля.Влияние индуктора 1 мГн на испытание на пробой не имеет значения, так как он находится в состоянии насыщения для всех исследуемых испытательных токов, и только добавляет задержку нарастания тока при включении устройства.

Эффективная индуктивность нагрузки для испытательных токов составляет 400 мкГн для токов до 15 А и около 100 мкГн для токов от 15 до 100 А. Система с двумя индукторами повышает точность цепи ограничения тока при более низких токах, поскольку d I / d t уменьшено, и предоставляется дополнительное временное разрешение для определения правильной длительности импульса по времени, необходимой для достижения желаемого установленного тока.

2.4 Источник питания с зажимом напряжения

Большой конденсатор зажима необходим для эффективного ограничения больших токов при поддержании почти постоянного напряжения. Во время выполнения автоматических измерений желательно изменять напряжение зажима как можно быстрее, и необходим источник питания, который может как источник, так и потреблять значительный объем энергии. Во время повторяющихся испытаний фиксирующий ток заряжает фиксирующий конденсатор, и этот заряд должен быть удален. Двухквадрантный переключающий усилитель, который подает и принимает до 2000 В, был разработан для удовлетворения этих требований.

Коммутационный усилитель может обеспечивать выходную мощность до ± 60 Вт или ± 30 мА при напряжении до 2000 В. Отрицательная мощность представляет собой мощность, потребляемую усилителем (отрицательный ток, положительное напряжение), и большая часть этой мощности не рассеивается в виде тепла, но преобразуется обратно в выпрямленную сеть. Упрощенная схема усилителя приведена в. Усилитель сконфигурирован как источник выпрямленного напряжения, последовательно соединенный со стоком постоянного тока, при этом выходной сигнал подается между ними и подается на масляный конденсатор емкостью 25 мкФ с низкой индуктивностью.Конденсатор располагается как можно ближе к ИУ.

Упрощенная схема двухквадрантного переключающего усилителя для источника питания клещей. Концептуальная схема отображается слева, а фактическая реализация — справа.

Источник напряжения в усилителе представляет собой квазирезонансный преобразователь, топология которого выбрана так, чтобы обеспечить как преимущество широкого диапазона управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), так и собственное ограничение тока параллельного резонансного преобразователя.Схема ШИМ приводится в действие сигналом обратной связи, который включает в себя выход усилителя и выход управляющего ЦАП. Часть усилителя, потребляющая ток, представляет собой параллельный резонансный преобразователь, работающий в резонансе. Обратная связь по переменному току обеспечивает автоколебание схемы при резонансе в широком диапазоне напряжения питания на ограничивающем конденсаторе. Интересным свойством этой схемы является то, что при постоянном токе она ведет себя как сток постоянного тока в широком диапазоне напряжений питания. Выходной ток этого преобразователя возвращается в выпрямленную сеть питания, которая пропускает весь тестер через подходящий трансформатор и выпрямитель, и ограничивается этим выпрямленным сетевым напряжением.Выходной ток, возвращаемый в выпрямленную сеть питания, пропорционален фиксируемому напряжению. Рабочая частота около 110 кГц.

показывает выходной сигнал источника питания клещей, когда тестер выполняет тест при 2000 В. После подачи тестовой команды питание фиксатора включается путем изменения данных, подаваемых на ЦАП, с нуля до желаемого тестового значения. Задержка по времени позволяет напряжению на ограничивающем конденсаторе достичь заданного значения перед испытанием на пробой. После выполнения теста напряжение возвращается к нулю.

Напряжение фиксации для теста составляет 2000 В. После подачи команды тестирования напряжение на конденсаторе ограничения возрастает до желаемого напряжения фиксации, тест выполняется, и напряжение возвращается к нулю. Масштаб: 500 В на дел .; время: 500 мс на дел.

2.5 Архитектура тестера

Программируемые функции тестера включают в себя тестовый ток, время включения, ток включения, ток выключения, напряжение фиксации и тестовый запуск. Тестер может вернуть сообщение «сбой устройства».Первые пять вышеуказанных параметров представлены в тестере как 8-битные двоичные числа и могут быть установлены либо удаленно через интерфейс IEEE 488, либо на тестере с поворотными оптическими энкодерами. Для каждого параметра предусмотрены энкодер и 7-сегментный дисплей. В интерфейсе используется микросхема Fairchild 96LS488 ¹ , которую можно использовать в немикропроцессорных асинхронных системах, таких как этот тестер.

3. Измерения пробоя

Измерение второго напряжения пробоя транзистора может быть выполнено двумя разными способами, которые могут дать два разных числа.Одним из методов является измерение без фиксации, при котором напряжение фиксации устанавливается значительно выше ожидаемого напряжения пробоя. При выполнении теста пиковое напряжение в точке падения напряжения измеряется запоминающим осциллографом или быстрым дигитайзером. Другой метод — это измерение с фиксацией, при котором испытание начинается с установки напряжения фиксации значительно ниже ожидаемого напряжения пробоя и постепенного повышения напряжения фиксации до тех пор, пока не произойдет второй пробой. Напряжение фиксации тогда равно напряжению пробоя.Метод без зажима обычно дает более высокую индикацию напряжения пробоя, чем метод с зажимом. Метод без зажима может дать искусственно завышенное число, потому что транзистор часто может выдерживать более высокое напряжение в течение очень короткого периода времени, прежде чем напряжение фактически упадет. Метод ограничения может дать искусственно заниженное значение, потому что превышение фиксированного значения может вызвать второй пробой.

и демонстрируют различия в двух методах измерения. В, три различных настройки зажима вызывают три разных отклика для биполярного транзистора.Для этого рисунка транзистор был отключен очень сильно, с обратным базовым током отключения 4,8 А для тока коллектора 6 А. Для одной кривой напряжение фиксации было установлено значительно выше зарегистрированного пикового напряжения, которое составляло примерно 640 В. Еще одна кривая была получена с зажимом, установленным на 410 В. Напряжение достигло пикового значения около 510 В, и напряжение транзистора упало, но довольно медленно по сравнению с незажатым случаем. Третья кривая была сформирована с зажимом, установленным на 400 В, и транзистор успешно отключился, при этом напряжение достигло пика около 500 В.В, тот же транзистор был протестирован в тех же условиях тестирования, что и в, за исключением того, что ток выключения был уменьшен до гораздо более подходящего значения 1,0 А. И снова первый тест был разжат, с пиковым зарегистрированным напряжением 550 В. . Когда фиксатор был установлен на 500 В, транзистор вышел из строя с пиковым напряжением около 510 В. При установке фиксатора на 490 В транзистор не сломался, и напряжение достигло примерно 500 В.

Напряжение коллектора устройства для трех различных настроек клещей для высокого базового тока выключения.Транзистор выходит из строя при двух уставках фиксатора. Масштаб: 100 В на малое деление; время: 20 нс на малый дел.

То же устройство и условия, что и выше; тем не менее, выключение уменьшается, и используется другой набор фиксирующих напряжений. Разница напряжений между измерениями без фиксации и без фиксации уменьшается для уменьшения скорости отключения.

Принимая во внимание приведенные выше измерения, ясно, что необходимо соблюдать некоторую осторожность при определении зоны безопасной эксплуатации (SOA) второй аварии.Ясно, что фиксированные измерения дают более консервативный (более низкое напряжение) SOA, чем незафиксированные измерения, но фиксированные измерения могут быть чрезмерно консервативными, если устройство выключить слишком быстро. Наиболее точный SOA определяется при объединении двух методов путем автоматизации этого тестера с помощью программируемого быстрого дигитайзера. Чтобы объединить методы, фиксатор постепенно поднимается до тех пор, пока не произойдет второй пробой, и в то же время форма волны напряжения оцифровывается, а достигнутое пиковое напряжение записывается для пробоя.

дает некоторые типичные кривые SOA для биполярного транзистора, измеренные тестером под управлением компьютера. Измерения проводились методом фиксации без дигитайзера, а используемые токи выключения были достаточно низкими, чтобы избежать значительных выбросов. Один набор данных был сгенерирован, когда тестер был запрограммирован на проведение серии испытаний с токами коллектора от 1 до 20 А, а базовые токи включения и выключения были отрегулированы для каждого тока коллектора так, чтобы они составляли 1/5 значение тока коллектора для усиления при включении и выключении 5.Другой набор данных был сгенерирован, когда тестер был запрограммирован на выполнение тестов при тех же токах коллектора, которые использовались ранее, но токи включения и выключения поддерживались на фиксированных значениях 2,0 и 0,5 А, соответственно. Данные следуют общей тенденции, наблюдаемой для биполярных транзисторов, когда второй пробой происходит при более низких напряжениях для более высоких токов коллектора, а также при более низких напряжениях, когда используются более высокие токи выключения.

Кривые SOA, измеренные тестером под управлением компьютера для биполярного транзистора.Квадраты представляют собой предел SOA, когда токи включения и выключения установлены на 1/5 значения тока коллектора. Кружки представляют предел SOA, когда тот же транзистор испытывается с фиксированным током включения 2,0 А и фиксированным током выключения 0,5 А.

Данные второго пробоя приведены для полевого МОП-транзистора. Эти данные представляют собой SOA полевых МОП-транзисторов, показывая почти постоянное второе напряжение пробоя с током стока. В случае малых токов устройство обычно сходит с лавины без повторного пробоя, как это происходит с этим устройством.Точки данных, представленные кружками на графике, указывают на то, что устройство выдержало лавину без входа во второй пробой, когда зажим был установлен на 400 В (это напряжение не является показателем фактического напряжения лавины).

Квадраты представляют собой кривую SOA для силового полевого МОП-транзистора. Кружки при самых низких испытательных токах указывают на то, что транзистор не вошел во второй пробой, когда напряжение фиксации было установлено на 400 В, а скорее продолжил лавину при более низком напряжении.

4.Пределы неразрушающего контроля

Некоторые транзисторы сходят лавины в течение относительно длительного периода времени перед вторым пробоем и, таким образом, поглощают гораздо больше энергии, чем транзисторы, которые выходят из строя без большой задержки. Когда транзисторы выдерживают лавины в течение микросекунд, они часто ухудшаются или разрушаются во время теста SOA с обратным смещением. показаны типичные формы сигналов напряжения и тока, которые генерируются таким транзистором во время второго испытания на пробой с обратным смещением. Напряжение на устройстве повышается, когда оно начинает отключаться, но начинает выравниваться по мере схода лавины.Никакой зажим не действует. Напряжение лавины нарастает по мере того, как устройство нагревается изнутри. В течение периода лавины ток снижается, потому что индуктор нагрузки поддерживает более высокое напряжение на узле, ближайшем к устройству. В какой-то момент устройство попадает во второй пробой, и схема защиты сводит ток к нулю.

Осциллограммы напряжения и тока для транзистора, который выдерживает лавину в течение относительно длительного времени, прежде чем вступит во второй пробой. Такое поведение часто деструктивно, даже когда схема защиты очень быстро отключает питание.Верхняя линия: 100 В на малое деление; нижний след: 10 А на малый дел .; время: 5 мкс на малый дел.

Биполярные транзисторы обычно могут выдержать длительный период работы, но устройства типа МОП обычно выходят из строя или разрушаются. Прошлый опыт всегда указывал, что успех сохранения устройств сильно зависит от скорости цепи защитного лома. Хотя этот автоматический тестер имеет чрезвычайно быстрый лом, он не может спасти многие устройства, которые имеют длительное время автономной работы.Возникает вопрос, можно ли было бы спасти эти устройства, если бы защита была еще быстрее.

Существуют и другие возможные нагрузки на устройство при повторном выходе из строя. Локализованная часть устройства, в которой возникает второй пробой, поглощает дополнительную энергию во время падения напряжения, поскольку паразитная емкость как испытательного приспособления, так и самого устройства разряжается через место пробоя. Общая паразитная емкость испытательного прибора в автоматическом тестере составляет 83 пФ, а внутренние емкости устройства могут быть значительно больше.Как только схема лома срабатывает, в устройстве происходит некоторое изменение направления тока, хотя этот автоматический тестер сводит его к минимуму с помощью насыщающегося реактора и обратного блокирующего диода, упомянутых ранее. Возможно, эти дополнительные напряжения частично ответственны за разрушение этих устройств.

Была предпринята еще одна попытка неразрушающего контроля этих устройств путем создания другого тестера. Проблемы надежности и простоты использования были отложены, чтобы обеспечить максимально быструю защиту устройства.В этом специальном тестере нет индуктора нагрузки и токового шунта лома, и они заменены управляемым источником тока, который можно быстро отключить. Управляемый источник тока приводится в действие таким образом, чтобы имитировать индуктор нагрузки в традиционном тесте SOA с обратным смещением. Формы сигналов, показанные на, были получены с помощью этого специального тестера. Дополнительные цели, достигнутые с помощью этого специального тестера, заключаются в снижении емкости испытательного устройства и отсутствии реверсирования тока в устройстве при срабатывании защиты.Паразитная емкость испытательной арматуры составляет 62 пФ, зажимы отсутствуют. Этот специальный тестер может тестировать при уровнях напряжения и тока до 1600 В и 25 А соответственно.

— это упрощенная схема критической части этого тестера. Также показаны типичные формы сигналов, которые управляют работой схемы. Пентод однолучевого типа действует как источник тока и заменяет катушку индуктивности в традиционном тесте. Источник тока включен последовательно с тестируемым устройством. Однако источник расположен на стороне отрицательного напряжения тестируемого устройства, например, на клемме истока n-канального полевого транзистора, как показано на рисунке.Расположение источника тока в цепи стока привело бы к более высокой паразитной емкости на испытательной арматуре и усложнило бы схемы драйвера для пентода. Во время теста сначала включается вентиль DUT. Затем включается пентод источника тока с положительной ступенчатой ​​функцией с амплитудой, которая определяет желаемый испытательный ток. Эта ступенчатая функция, которая может иметь амплитуду до 1500 В при 2 А (относительно катода) для самых высоких испытательных токов, применяется к сетке 2.На этом этапе проверки в сети 1 поддерживается 0 В. Эти условия поддерживаются в течение примерно 10 мкс, чтобы дать распределению заряда и носителям в ИУ время для достижения равновесия. Затем тестируемое устройство выключается, и напряжение на устройстве повышается. В то же время ступенчатая функция, применяемая к сетке 2, начинает линейное снижение с наклоном, который можно регулировать для моделирования катушек индуктивности разных размеров. Если смоделированная катушка индуктивности установлена ​​на достаточно малое значение или испытательный ток достаточно низкий, ИУ может просто сходить в лавину, пока ток не упадет до нуля.Если ИУ испытывает второй пробой, напряжение падает, и коллапс воспринимается как быстрый сигнал d V / d t и используется для подачи отрицательного напряжения на сетку 1 пентода для его выключения. Таким образом, источник тока разомкнут, и в ИУ не может быть реверсирования тока, как в случае с ломом, которое зависит от восстановления диода.

Упрощенная схема специального тестера SOA с обратным смещением, который был разработан для чрезвычайно короткого времени защиты устройств.Показаны следующие временные формы сигналов для работы:

A — Затвор устройства включен

B — Источник постоянного тока включен

C — Устройство выключено, и начинается постепенное уменьшение источника тока

D — Устройство выходит из строя, и источник тока быстро отключается.

Защита в этом тестере работает очень быстро, о чем свидетельствуют осциллограммы в. Показаны формы напряжения (вверху) и тока для второго пробоя полевого МОП-транзистора. Испытательный ток составлял 20 А, а напряжение пробоя — 550 В.Масштаб времени составлял 10 нс, а ток приводился к нулю в течение 10 нс после коллапса напряжения. Коллапс напряжения соответствует увеличению тока непосредственно перед его падением. Возврат вызван разрядом паразитной емкости испытательного устройства. Форма волны напряжения не дает хорошего эталона времени для пробоя из-за значительного временного джиттера от теста к тесту в этой быстрой шкале времени, а для захвата двух форм сигнала необходимы два теста. Переход напряжения был фактически быстрее, чем это показано на рисунке, из-за ограничения полосы пропускания, вызванного изолирующим резистором 470 Ом.Ток был измерен с помощью трансформатора тока в напряжение Pearson 411, и скорость измерительной системы может быть ограничивающим фактором при определении фактической скорости защиты.

Осциллограммы напряжения и тока для второго пробоя в полевом МОП-транзисторе, наблюдаемые с помощью специального тестера. Ток снимается менее чем за 10 нс после пробоя. Верхняя линия: 100 В на малое деление; нижний след: 10 А на малый дел .; время: 10 нс на малый дел.

Каким бы быстрым ни был этот специальный тестер SOA с обратным смещением, он не может постоянно сохранять устройства, выдерживающие длинные лавины, которые не могут быть сохранены автоматическим тестером.Возможно, это менее разрушительно, потому что некоторые устройства, которые могут выдержать только один или два теста на автоматическом тестере, могут пережить три или четыре теста на этом специальном тестере до того, как выйдут из строя. Возможно, что устройства, которые действительно работают в течение долгих периодов времени, прежде чем войти во второй пробой, фактически деградируют из-за локальных высоких температур перед фактическим падением напряжения.

5. Выводы

Был дан обзор конструкции автоматизированного тестера безопасной рабочей зоны с обратным смещением, с акцентом на специальные схемы, которые позволяют автоматизировать.Были обсуждены некоторые примеры измерений, а также источники ошибок в измерениях. Измерение второго пробоя с обратным смещением, как правило, является неразрушающим, при условии, что ток и напряжение в испытуемом устройстве снимаются очень быстро после того, как происходит второй пробой. Некоторые устройства, которые выдерживают лавины относительно долгое время (микросекунды) перед вторым пробоем, не спасаются даже самой быстрой схемой защиты.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить Аллена Хефнера из NIST за вклад в эту работу, написав программное обеспечение для запуска автоматического тестера.

Биография

•

Об авторе: Дэвид Бернинг работает инженером-электронщиком в области измерений полупроводниковых устройств в отделе полупроводниковой электроники лаборатории электроники и электротехники NIST.

Сноски

¹ Определенное коммерческое оборудование, инструменты или материалы указаны в этом документе для адекватного определения экспериментальной процедуры. Такая идентификация не подразумевает рекомендации или одобрения Национального института стандартов и технологий, а также не подразумевает, что идентифицированные материалы или оборудование обязательно являются лучшими из имеющихся для этой цели.

6. Список литературы

1. Бернинг DW. Технология измерения полупроводников: тестер транзисторов, безопасный для рабочей зоны при обратном смещении. Специальная публикация NBS 400–54; Март 1979 г. [Google Scholar] 2. Jahns TM. Магистерская диссертация Массачусетского технологического института. Отдел Электротехники; Май 1974 г. Исследование второго пробоя обратного смещения в силовых транзисторах. [Google Scholar] 3. Карпентер Г., Ли Ф., Чен Д. Неразрушающий тестер RBSOA на 1800 В, 300 А для биполярных транзисторов; PESC ’88 Record, 19-я ежегодная конференция специалистов по силовой электронике; Киото, Япония.11–14 апреля 1988 г .; С. 1330–1338. [Google Scholar] 4. Блэкберн Д. Л., Бернинг Д. В.. Экспериментальное исследование второго пробоя обратного смещения. 1980 IEDM Tech Digest, 1980 IEEE Intl; Встреча «Электронные устройства»; Декабрь 1980 г .; С. 297–301. [Google Scholar] 5. Блэкберн DL. Отказ отключения силовых полевых МОП-транзисторов; PESC ’85 Record, Proc. Конференция специалистов по силовой электронике IEEE 1985 г .; Июнь 1985 г .; С. 429–435. Также перепечатано в IEEE Trans. Power Electronics PE-2, 136–142 (апрель 1987 г.) [Google Scholar] 6. Бернинг DW.Технология измерения полупроводников: Программируемый тестер транзисторов, безопасный для рабочей зоны с обратным смещением. Специальная публикация NIST 400–87; Август 1990 года. [Google Scholar]

Новый дизайн транзистора скрывает ключевые аппаратные средства компьютерных микросхем от хакеров

WEST LAFAYETTE, Ind. — Хакер может воспроизвести схему на микросхеме, обнаружив, что ключевые транзисторы делают в схеме, но не в том случае, если «тип» транзистора не определяется.

Инженеры Университета Пердью продемонстрировали способ скрыть, какой транзистор является каким, построив их из листового материала, называемого черным фосфором.Эта встроенная мера безопасности не позволит хакерам получить достаточно информации о схеме для ее обратного проектирования.

Результаты опубликованы в статье, опубликованной в понедельник (7 декабря) в журнале Nature Electronics.

Микросхемы обратного инжиниринга

— обычная практика — как для хакеров, так и для компаний, расследующих нарушения прав интеллектуальной собственности. Исследователи также разрабатывают методы визуализации рентгеновских лучей, которые не потребовали бы фактического прикосновения к чипу для его реинжиниринга.

Подход, продемонстрированный исследователями Purdue, повысит безопасность на более фундаментальном уровне.От того, как производители микросхем решат сделать эту транзисторную конструкцию совместимой со своими процессами, будет зависеть доступность этого уровня безопасности.

Микросхема выполняет вычисления, используя в цепи миллионы транзисторов. Когда подается напряжение, два разных типа транзисторов — тип N и тип P — выполняют вычисления. Репликация чипа начнется с идентификации этих транзисторов.

«Эти два типа транзисторов являются ключевыми, поскольку они выполняют разные функции в схеме.Они лежат в основе всего, что происходит на всех наших микросхемах », — сказали Йорг Аппенцеллер, Барри М. из Purdue и профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Патрисия Л. Эпштейн. «Но поскольку они совершенно разные, правильные инструменты могут их четко идентифицировать, позволяя вернуться назад, выяснить, что делает каждый отдельный компонент схемы, а затем воспроизвести микросхему».

Если бы эти два типа транзисторов оказались идентичными при осмотре, хакер не смог бы воспроизвести микросхему путем обратного проектирования схемы.

Йорг Аппенцеллер, профессор электротехники и вычислительной техники Purdue, разрабатывает способы повышения безопасности микросхем с использованием 2D-материалов. (Фотография Университета Пердью / Джон Андервуд) Команда

Аппенцеллера показала в своем исследовании, что маскировка транзисторов путем изготовления их из материала, такого как черный фосфор, делает невозможным определение того, какой транзистор какой. Когда напряжение переключает тип транзисторов, они кажутся хакеру совершенно одинаковыми.

Хотя маскировка уже является мерой безопасности, которую используют производители микросхем, она обычно выполняется на уровне схемы и не пытается скрыть функциональность отдельных транзисторов, оставляя микросхему потенциально уязвимой для методов обратного инжиниринга с использованием подходящих инструментов.

Метод маскировки, который продемонстрировала команда Аппенцеллера, заключался в встраивании ключа безопасности в транзисторы.

«Наш подход заставит транзисторы типа N и P выглядеть одинаково на фундаментальном уровне.«Невозможно отличить их, не зная ключа», — сказал Пэн Ву, доктор философии Purdue. студент кафедры электротехники и вычислительной техники, построивший и испытавший прототип микросхемы с транзисторами на основе черного фосфора в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий Пердью.

Даже производитель микросхемы не сможет извлечь этот ключ после того, как микросхема будет произведена.

«Вы могли бы украсть чип, но у вас не было бы ключа», — сказал Аппенцеллер.

Современные методы маскировки всегда требуют большего количества транзисторов, чтобы скрыть то, что происходит в цепи.Но для того, чтобы скрыть тип транзистора с помощью такого материала, как черный фосфор — материала толщиной с атом — требуется меньше транзисторов, занимая меньше места и энергии в дополнение к созданию лучшей маскировки, говорят исследователи.

Идея скрыть тип транзистора для защиты интеллектуальной собственности чипа изначально возникла из теории профессора Университета Нотр-Дам Шарон Ху и ее сотрудников. Как правило, транзисторы типа N и P отталкивают от того, как они пропускают ток.Транзисторы N-типа переносят ток, транспортируя электроны, в то время как транзисторы P-типа используют отсутствие электронов, называемых дырками.

Группа Аппенцеллера поняла, что черный фосфор настолько тонкий, что он позволит переносить электроны и дырки на одинаковом уровне тока, что делает два типа транзисторов в основном одинаковыми согласно предложению Ху.

Затем группа

Аппенцеллера экспериментально продемонстрировала маскирующую способность транзисторов на основе черного фосфора.Эти транзисторы, как известно, работают при низких напряжениях компьютерных микросхем при комнатной температуре из-за их меньшей мертвой зоны для переноса электронов, описываемой как небольшая «запрещенная зона».

Но, несмотря на преимущества черного фосфора, производители микросхем, скорее всего, использовали бы другой материал для достижения этого маскирующего эффекта.

«Промышленность начинает рассматривать ультратонкие 2D-материалы, потому что они позволят разместить на кристалле больше транзисторов, что сделает их более мощными.Черный фосфор слишком летуч, чтобы быть совместимым с современными технологиями обработки, но экспериментальная демонстрация того, как может работать 2D-материал, является шагом к пониманию того, как реализовать эту меру безопасности », — сказал Аппенцеллер.

Работа финансируется Институтом инноваций Индианы и Lilly Endowment, Inc.

О парке Дискавери

Discovery Park — это место, где исследователи Purdue выходят за рамки традиционных границ, сотрудничая в разных дисциплинах и с политиками и лидерами бизнеса для создания решений для улучшения мира.В центре внимания исследователей Discovery Park находятся грандиозные проблемы глобального здравоохранения, глобальных конфликтов и безопасности, а также проблемы, лежащие в основе устойчивой энергетики, мирового продовольственного снабжения, воды и окружающей среды. Преобразование открытий в воздействие интегрировано в структуру парка открытий через программы предпринимательства и партнерства.

Об университете Пердью

Purdue University — ведущее государственное исследовательское учреждение, разрабатывающее практические решения самых сложных сегодняшних проблем.Purdue, занявший 5-е место в рейтинге самых инновационных университетов США по версии U.S. News & World Report, проводит исследования, меняющие мир, и открытия, не связанные с этим миром. Purdue стремится к практическому и онлайн-обучению в реальном мире, предлагая трансформирующее образование для всех. Стремясь обеспечить доступность и доступность, Purdue заморозила стоимость обучения и большую часть платы на уровне 2012-2013 годов, что позволило большему количеству студентов, чем когда-либо, получить высшее образование без долгов. Посмотрите, как Purdue никогда не останавливается в упорном стремлении к следующему гигантскому прыжку на https: // purdue.edu /.

Писатель, контакт для СМИ: Кайла Уайлс, 765-494-2432, [email protected]

Источник: Йорг Аппенцеллер, [email protected]

Журналисты, посещающие кампус : Журналисты должны соблюдать протоколы Protect Purdue и следующие правила:

• Кампус открыт, но количество людей в помещениях может быть ограничено. Мы будем максимально любезны, но вас могут попросить выйти или сообщить из другого места.
• Для обеспечения доступа, особенно в здания университетского городка, мы рекомендуем вам связаться с представителями СМИ Purdue News Service, указанными в выпуске, чтобы сообщить им о характере визита и о том, где вы будете его посещать. Представитель Службы новостей может облегчить безопасный доступ и сопроводить вас в университетский городок.
• Правильно носите маски для лица в любом здании кампуса и правильно носите маски для лица на открытом воздухе, когда социальное дистанцирование не менее шести футов невозможно.

---

РЕФЕРАТ

Двумерные транзисторы с реконфигурируемой полярностью для безопасных цепей

Пэн Ву, Даяне Рейс, Сяобо Шарон Ху и Йорг Аппенцеллер

DOI: 10.1038 / s41928-020-00511-7

Безопасность является критическим аспектом в современном проектировании схем, но исследования аппаратной безопасности на уровне устройства редки, поскольку они требуют модификации существующих технологических узлов. С ростом проблем, стоящих перед полупроводниковой промышленностью, интерес к готовым решениям безопасности все же вырос, даже если это подразумевает внедрение новых материалов, таких как двумерные (2D) слоистые полупроводники. Здесь мы показываем, что высокопроизводительные низковольтные двумерные полевые транзисторы с черным фосфором (FET) с изменяемой полярностью подходят для приложений безопасности оборудования.Транзисторы могут динамически переключаться между p-FET и n-FET работой с помощью электростатического стробирования и достигать отношения включения-выключения 105 и подпороговых колебаний 72 мВ / декаду при комнатной температуре. Используя транзисторы, мы создаем инверторы с коэффициентом усиления 33,3 и полностью работоспособными при VDD = 0,2 В. Мы также создаем примитивную схему безопасности с функцией полиморфной обфускации NAND / NOR с рабочим напряжением ниже 1 В; Устойчивость полиморфного затвора к колебаниям источника питания проверена с помощью моделирования Монте-Карло.

Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы

Транзистор может работать в трех режимах:

• Режим отключения
• Насыщенность режим
• Активный режим

В чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любом из этих регионов.

Применение постоянное напряжение на транзисторе — это не что иное, как смещение транзистор.

Режим отсечки

В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратные пристрастный.Другими словами, если предположить, что два p-n переходы как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.

режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед пристрастный. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения через устройство протекает ток.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.

В насыщенность режим, бесплатно электроны (носители заряда) текут от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.

Следовательно, в транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.

насыщенность режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ.

Активный режим

В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный пристрастный.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.

активный режим работы используется для усиления Текущий.

От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, в то время как он работает как усилитель тока в активном режиме.

Как мы предложили спиновый транзистор

Устройства спинтроники, использующие спин электронов для обработки и хранения информации, являются ключевой новой технологией в электронике. Суприйо Датта объясняет, как имитация оптических явлений вдохновила его на предсказание спинового транзистора.

В 1990 году Бисваджит Дас и я предложили электронное устройство, подобное хорошо известным оптическим устройствам, используя сходство между спином электрона и поляризацией фотона (рис. 1). Вдохновением для этого послужило оптическое устройство, состоящее из поляризатора и анализатора, установленных под углом 90 ° друг к другу. В этой начальной конфигурации пропускание света было бы минимальным.Однако между поляризатором и анализатором находился электрооптический материал, который позволял внешнему напряжению изменять поляризацию света по мере его распространения. Если бы поворот был на 90 °, передача была бы идеальной.

Рис. 1: Поляризация фотона и спин электрона.

Концепция спинового транзистора, иллюстрирующая аналогию между поляризацией фотона (вверху) и спином электрона (внизу). В _G , напряжение затвора; S, источник; D, сток.

Но как бы выглядел электронный аналог? Было предложено использовать устройство, которое выглядит так же, как коммерческий полевой транзистор (FET), но с магнитными контактами.Один магнитный контакт (источник) инжектирует электроны, спины которых совпадают с его намагниченностью, точно так же, как поляризатор пропускает фотоны с определенной поляризацией. Точно так же другой магнитный контакт (сток) действует как анализатор и пропускает электроны с соответствующим образом выровненным спином. Если контакт истока вводит электроны со спином вверх, а контакт стока обнаруживает электроны со спином вниз, то передача должна быть минимальной. Если бы вращение можно было вращать, когда оно пересекает канал, соединяющий исток со стоком, передачу можно было бы увеличить, как и в оптическом устройстве.

Обратите внимание на интересную разницу. Чтобы блокировать фотоны, нам нужен поляризатор и анализатор под углом 90 °, но для электронов они должны быть под углом 180 °. Это принципиальное отличие: поляризация фотонов описывается векторами, тогда как спин электрона описывается спинорами.

Следующей задачей было вращение вращения. Один из способов — использовать магнитное поле в направлении x , чтобы вращение вращалось вокруг него в плоскости yz . Другой способ — использовать электрическое поле при условии, что канал демонстрирует спин-орбитальное взаимодействие, которое представляет собой хорошо известный релятивистский эффект, который заставляет электрическое поле с направлением y на границе раздела выглядеть как эффективное магнитное поле с направлением x поле к электрону с направленным импульсом z .Но еще в 1990 году не было экспериментальных доказательств того, что напряжение затвора можно использовать для управления спин-орбитальным взаимодействием, и только в 1997 году это было впервые продемонстрировано Дзюнсаку Нитта и его коллегами из лаборатории фундаментальных исследований NTT в Японии.

Что касается инжекции и обнаружения поляризованных спинов с помощью магнитных контактов, то Марк Джонсон и Роберт Силсби из Корнельского университета уже продемонстрировали такую ​​возможность в 1985 году. Но это касается металлических каналов. Полупроводниковые каналы оказались намного сложнее, и только в 2001 году исследователи смогли преодолеть стоящие перед ними серьезные проблемы.Наконец, Хён Чхоль Ку и его коллеги из Корейского института науки и технологий, работая с Джонсоном, который тогда работал в Военно-морской исследовательской лаборатории США, продемонстрировали одну версию устройства в 2009 году, а затем другую версию в 2015 году.

Это устройство часто называют спиновым транзистором, возможно потому, что напряжение затвора изменяет свое сопротивление с высокого значения (ВЫКЛ) на низкое значение (ВКЛ), как настоящий транзистор. Но типичный полевой транзистор имеет отношение сопротивления ВЫКЛ / ВКЛ примерно 10 ⁵ .Напротив, спиновой транзистор может в лучшем случае немного уменьшить ток, отчасти потому, что поляризаторы и анализаторы далеки от идеала, а отчасти потому, что процессы рассеяния в твердых телах могут довольно сильно рандомизировать спины в зависимости от температуры и длины канала. Для преодоления этого ограничения были предложены альтернативные конструкции.

Одно устройство спинтроники, которое доказало свою практическую применимость в приложениях памяти, состоит из двух магнитных контактов, разделенных очень тонким слоем, который может быть либо металлом (создающим спиновой клапан), либо изолятором (создающим магнитный туннельный переход; MTJ).Оба эти устройства были известны до 1990 г., но ретроспективно их можно рассматривать как устройства-поляризаторы-анализаторы с очень коротким каналом, так что эффекты рассеяния не столь сильны.

Долгое время исследователи искали устройство для замены полевого транзистора. Но кажется более практичным найти способы дополнить полевой транзистор. Например, небольшие магниты нестабильны, поэтому сопротивление MTJ колеблется со временем. Утверждалось, что такой стохастический MTJ может быть объединен с полевыми транзисторами для создания вероятностного бита или p-бита: трехполюсного устройства, выход которого чередуется между 0 и 1, когда вход слабый, но блокируется в «0» для большого отрицательного входа и «1» для большого положительного входа.Такое контролируемое стохастическое поведение с одним компактным блоком кажется трудновыполнимым с помощью одних полевых транзисторов.

Информация об авторе

Принадлежность

1. Школа электротехники и вычислительной техники, Университет Пердью, Вест Лафайет, Индиана, США

   Суприо Датта

Автор, ответственный за переписку

Переписка на Supriyo Datta.

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Datta, S.Как мы предложили спиновой транзистор. Нат Электрон 1, 604 (2018). https://doi.org/10.1038/s41928-018-0163-4

Ссылка для скачивания

Поделиться статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для общего доступа

Извините, Ссылка для совместного использования в настоящее время недоступна для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Дополнительная литература

• Кремний становится тяжеловесом

  Природные материалы (2021 год)

.