Составной транзистор: Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона.

Содержание

Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона.

Особенности и области применения составных транзисторов

Если открыть любую книгу по электронной технике, сразу видно как много элементов названы по именам их создателей: диод Шоттки, диод Зенера (он же стабилитрон), диод Ганна, транзистор Дарлингтона.

Инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington) экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления для них. В схемах использовались усилители тока.

Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния с диффундированными n (негатив) и p (позитив) переходами. Новый полупроводниковый прибор был назван его именем.

В отечественной технической литературе транзистор Дарлингтона называют составным. Итак, давайте познакомимся с ним поближе!

Устройство составного транзистора.

Как уже говорилось, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом кристалле и запакованные в один общий корпус. Там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора.

У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у всем знакомого биполярного: база (Base), эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).


Схема Дарлингтона

Как видим, такой транзистор представляет собой комбинацию нескольких. В зависимости от мощности в его составе может быть и более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что в высоковольтной электронике также применяется транзистор, состоящий из биполярного и полевого. Это IGBT транзистор. Его также можно причислить к составным, гибридным полупроводниковым приборам.

Основные особенности транзистора Дарлингтона.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h21). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.


схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Хорошо зарекомендовал себя для работы в электронных схемах зажигания мощный n-p-n транзистор Дарлингтона BU931.

Основные электрические параметры:

  • Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;

  • Напряжение эмиттер – база 5 V;

  • Ток коллектора – 15 А;

  • Ток коллектора максимальный – 30 А;

  • Мощность рассеивания при 250С – 135 W;

  • Температура кристалла (перехода) – 1750С.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p.

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Примеры применения составного транзистора.

Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с помощью транзистора Дарлингтона.

При подаче на базу первого транзистора тока порядка 1мА через его коллектор потечёт ток уже в 1000 раз больше, то есть 1000мА. Получается, что несложная схема обладает приличным коэффициентом усиления. Вместо двигателя можно подключить электрическую лампочку или реле, с помощью которого можно коммутировать мощные нагрузки.

Если вместо сборки Дарлингтона использовать сборку Шиклаи то нагрузка подключается в цепь эмиттера второго транзистора и соединяется не с плюсом, а с минусом питания.

Если совместить транзистор Дарлингтона и сборку Шиклаи, то получится двухтактный усилитель тока. Двухтактным он называется потому, что в конкретный момент времени открытым может быть только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Данная схема инвертирует входной сигнал, то есть выходное напряжение будет обратно входному.

Это не всегда удобно и поэтому на входе двухтактного усилителя тока добавляют ещё один инвертор. В этом случае выходной сигнал в точности повторяет сигнал на входе.

Применение сборки Дарлингтона в микросхемах.

Широко используются интегральные микросхемы, содержащие несколько составных транзисторов. Одной из самых распространённых является интегральная сборка L293D. Её частенько применяют в своих самоделках любители робототехники. Микросхема L293D — это четыре усилителя тока в общем корпусе. Поскольку в рассмотренном выше двухтактном усилителе всегда открыт только один транзистор, то выход усилителя поочерёдно подключается или к плюсу или к минусу источника питания. Это зависит от величины входного напряжения. По сути дела мы имеем электронный ключ. То есть микросхему L293 можно определить как четыре электронных ключа.

Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).

Как видим, выходной каскад состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи. Верхняя часть схемы — это составной транзистор по схеме Шиклаи, а нижняя часть выполнена по схеме Дарлингтона.

Многие помнят те времена, когда вместо DVD-плееров были видеомагнитофоны. И с помощью микросхемы L293 осуществлялось управление двумя электродвигателями видеомагнитофона, причём в полнофункциональном режиме. У каждого двигателя можно было управлять не только направлением вращения, но подавая сигналы с ШИМ-контроллера можно было в больших пределах управлять скоростью вращения.

Весьма обширное применение получили и специализированные микросхемы на основе схемы Дарлингтона. Примером может служить микросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Эта интегральная схема является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки можно легко применять в радиолюбительских схемах, например, радиоуправляемом реле. Об этом я поведал тут.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

2.16. Составной транзистор (схема Дарлингтона)

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

Некоторые типы усилительных каскадов



Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора Т1 должен превышать потенциал эмиттера транзистора Т2, на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор T1 не может быстро выключить транзистор Т2. С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора Т2 включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смешение транзистора Т2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов Т1 и Т2. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток. малый по сравнению с базовым током транзистора Т

2. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа 2N6282, его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai). Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той. которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента β. Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор n-p-n — типа, обладающий большим коэффициентом β. В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Т

2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора T1 Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами Т2 и Т3. ведет себя как один транзистор n-p-n — типа. с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы Т
4
и Т5, соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор p-n-p — типа. с большим коэффициентом усиления. Как и прежде, резисторы R3 и R4 имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы Т4 и Т5, были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только n-p-n — типа.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току. Составные транзисторы — транзистор Дарлингтона и ему подобные — не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента h21э получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа 2N5962. для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от 10 мкА до 10 мА; этот транзистор принадлежит к серии элементов 2N5961-2N5963, которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений Uкэ от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения C). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента β. Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18. Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа LM394 и МАТ-01; они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение Uбэ согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до 50 мкВ), а коэффициент h21э — до 1%. Схема типа МАТ-03 представляет собой согласованную пару p-n-p — транзисторов.

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента β можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316.


Некоторые типичные транзисторные схемы


Составной транзистор — сборка Дарлингтона кратко Электротехника,…

Привет, сегодня поговорим про составной транзистор, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое составной транзистор, сборка дарлингтона, транзистор дарлингтона,каскодная схема , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.

составной транзистор — электрическое соединение двух или более биполярных транзисторов или полевых транзисторов, либо комбинации тех и других (например, IGBT, где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы ) с целью улучшения тех или иных электрических параметров по сравнению с одиночными транзисторами. К этим схемам относятся составной транзистор дарлингтона , пара Шиклаи, каскодная схема , токовое зеркало и др.

Наиболее часто под термином «составной транзистор» подразумевается составной транзистор Дарлингтона.

рис. Схема составного транзистора Дарлингтона.

Схема Дарлингтона

рис. Принципиальная схема составного транзистора Дарлингтона с базовымрезистором.

Эту схему в 1953 году изобрел инженер-электрик , сотрудник Bell Laboratories Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).

Составной транзистор Дарлингтона (иногда называют пара Дарлингтона, схема Дарлингтона) является каскадным соединением 2 или, редко, более двух биполярных транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного.

Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора Дарлингтона очень высок и приблизительно равен произведению коэффициентов усиления по току составляющих транзисторов, у мощных транзисторов (у схемы Дарлингтона, конструктивно выпускаемой в одном корпусе, например, транзистор КТ825 ≈1000) и у пар маломощных транзисторов ≈50000. Это означает, что небольшим входным током составного транзистора можно управлять выходными токами, на несколько порядков превышающими входной ток управления.

Достигнуть повышения коэффициента усиления по току можно также уменьшив толщину базы при изготовлении транзистора, но это представляет определенные технологические трудности и такие транзисторы имеют очень низкие коллекторные рабочие напряжения, не превышающие нескольких вольт . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поэтому в относительно сильноточных и высоковольтных схемах используются пара Дарлингтона или пара Шиклаи.

Иногда схему Дарлингтона не совсем корректно называют «супербета транзистор». Примерами супербета транзисторов могут служить серии одиночных транзисторов КТ3102, КТ3107. Однако и такие транзисторы иногда объединяют в схеме Дарлингтона.

Составные транзисторы Дарлингтона используются в сильноточных схемах, например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадах усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс и малые входные токи.

Составной транзистор имеет три электрических вывода, которые эквивалентны выводам базы, эмиттера и коллектора обычного одиночного транзистора. Иногда в схеме для ускорения закрывания и снижения влияния начального тока входного транзистора используется резистивная нагрузка эмиттера входного транзистора. Описанное соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов, например, двух:

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β, значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение dIб=dIб1, получаем:

dIэ1=(1+β1)dIб=dIб2;

dIк=dIк1+dIк21dIб2((1+β1)dIб).

Деля dIк на dIб, находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

βΣ121β2

Поскольку всегда , можно считать:

βΣ≈β1β2.

Следует подчеркнуть, что коэффициенты и могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера Iэ2 в 1+β2 раз больше тока эмиттера Iэ1 (это вытекает из очевидного равенства Iб2=Iэ1).

Схема (пара) Шиклаи

рис. Каскад Шиклаи, эквивалентный n-p-n транзистору

Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai pair), названное так в честь его изобретателя ДжорджаК. Шиклаи, также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разного типа проводимости(p-n-p и n-p-n). Пара Шиклаи электрически эквивалентна n-p-n-транзистору c большим коэффициентом усиления. Входное напряжение — это напряжение между базой и эмиттером транзистора Q1, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 обычно включают резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной проводимости.

Каскодная схема

рис. Каскодный усилитель на биполярных n-p-n транзисторах.

Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT2 — по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, т.е. меньше искажает передаваемый сигнал . Так как потенциал коллектора входного транзистора практически не изменяется, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и улучшает частотные свойства.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

Достоинства составных пар Дарлингтона и Шиклаи:

  • Высокий коэффициент усиления по току.
  • Схема Дарлингтона изготавливается в составе интегральных схем и при одинаковом токе площадь занимаемая парой на поверхности кристалла кремния меньше, чем у одиночного биполярного транзистора.
  • Применяются при относительно высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора:

  • Низкое быстродействие, особенно в ключевом режиме при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, работающих в линейном режиме. На высоких частотах их частотные параметры хуже, чем у одиночного транзистора.
  • Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер выходного транзистора в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в одиночном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В, так как не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на прямосмещенном p-n переходе.
  • Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности, так как не может быть меньше чем падение напряжения на прямосмещенном p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе.

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчетом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии (начальный ток коллектора) создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счетфорсирования закрытия транзистора , так как неосновные носители, накопленные в базе VT2 при его запирании из режима насыщения не только рассасываются, но и стекают через этот резистор. Обычно сопротивление R1 выбирают величиной сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в маломощном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы Дарлингтона выполненной в одном корпусе со встроенным эмиттерным резистором служит мощный n-p-n транзистор Дарлингтона типа КТ825, его типовой коэффициент усиления по току около 1000 при коллекторном токе 10 А.

См. также

Понравилась статья про составной транзистор? Откомментируйте её Надеюсь, что теперь ты понял что такое составной транзистор, сборка дарлингтона, транзистор дарлингтона,каскодная схема и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства

Составные транзисторы Дарлингтона против Шиклаи

Darlington и Sziklai составные транзисторы. Какую пару выбрать для выходного кас- када УМЗЧ, выполненного на биполярных транзисторах?


Несмотря на то, что в последнее время всё большая часть выходных каскадов промышленных УМЗЧ выполняется на мощных полевых MOSFET-ах, усилители на биполярных транзисторах никуда не подевались, мало того — на них строится и некоторое количество звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End.
Именно такой Hi-End усилитель мощности NHB-108 фирмы DarTZeel мы подробно обсудили странице  (ссылка на страницу).

Одним из важных преимуществ полевых транзисторов является почти полное отсутствие входного тока в цепи затвора, что в большинстве случаев позволяет упростить схемотехнику и, как результат, конструкцию изделия. С другой стороны — значительные величины входных ёмкостей и приличный разброс параметров мощных MOSFET-ов делают в некоторых случаях предпочтительным использование именно биполярных приборов. Для максимального упрощения задачи схемотехника были созданы транзисторы с очень высоким коэффициентом усиления (более 1000), которые называются составными и которые дают возможность проектировать схемы на биполярниках, не сильно задумываясь о входных токах.

Наиболее часто используемое включение составных транзисторов в выходных каскадах усилителей — схема Дарлингтона (Рис. 1 а и б). Составные транзисторы по схеме включения Шиклаи используются значительно реже — и зря. Почему?
А ответ на этот вопрос дал конструктор электронных устройств и большой специалист в области звукотехники — Род Эллиот в своей статье «Шиклаи соединение против пары Дарлингтона».

Приведу наиболее, на мой взгляд, важные выдержки из этой статьи:

Пары Дарлингтона и Шиклая широко используются в линейных цепях, причём пары Дарлингтона являются наиболее распространёнными. Читатели моих Аудио Страниц могут заметить, что я в своих разработках для выходных каскадов усилителя мощности почти всегда без исключения использовал пары составных транзисторов по схеме включения Шиклая. Это относительно необычный подход, но для этого выбора имеются веские причины.
Давным-давно было установлено и продемонстрировано, что составная пара Шиклая обладает большей линейностью, чем пара Дарлингтона, и, хотя эта информация, по-видимому, игнорировалась большинством людей в течение очень долгого времени, она все ещё верна.

1. Линейность составных пар.

На Рис.2 показана пара простых повторителей напряжения, один из которых использует составную пару Шиклая, а другой — Дарлингтона.

Рис. 2 Повторители на парах Шиклая и Дарлингтона

Это довольно простые каскады, и трудно ожидать какой-либо существенной разницы между ними, учитывая то, что эти цепи охвачены 100%-ой отрицательной обратной связью.
Входной сигнал представляет собой синусоиду с пиковым напряжением 1 В (среднеквадратичное значение 707 мВ) и смещением постоянного тока 6 В, необходимым для того, чтобы установить рабочие точки выходов повторителей на уровне, близком к половине напряжения питания.

Первое, что бросается в глаза, это то, что составная пара Шиклая имеет более высокое выходное напряжение (это 99,5% от входного напряжения) по сравнению с парой Дарлингтона, которая передаёт на выход только 98,7%. Правда, это вряд ли можно назвать большой разницей, но, тем не менее, это заметно.

Более интересным параметром являются — искажения, вносимые этими двумя конфигурациями, и это продемонстрировано ниже.


Рис.3 Графики нелинейных искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

Совершенно очевидно, что составная пара Шиклая (чёрная кривая) имеет меньший уровень гармоник, расположенных выше минимального уровня шума -120 дБ, и все они находятся на более низком уровне по отношению к Дарлингтону — на 20 дБ и более!
Как можно увидеть, пара Дарлингтона имеет и в 3 раза больший суммарный уровень искажений, чем составная пара Шиклая. Хотя обе цифры превосходны и значительно ниже порога слышимости, но следует помнить, что каждая ступень системы вносит некоторые искажения, поэтому для каждого каскада важно поддерживать как можно более высокий параметр линейности.

Как я отмечал во многих статьях — THD усилителя является важным показателем не только потому, что мы слышим низкие уровни искажений, но и потому, что он является хорошим индикатором общей линейности. А любая нелинейность вызывает рост интермодуляционных искажений (IMD), считающихся наиболее нежелательными в звуковом тракте.

2. Температурная стабильность.

Для таких конструкций, как двухтактные усилители мощности, термостабильность выходного каскада имеет первостепенное значение. Коэффициент усиления транзистора зависит от температуры, при увеличении температуры — увеличивается и коэффициент усиления. Эта температурная зависимость сохраняется вплоть до температур, которые могут вызвать пробой полупроводника. Кроме того, с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер транзистора (примерно на 2 мВ/°C), поэтому определённые средства стабилизации тока смещения являются обязательными.

В составной паре Sziklai влияние температурной зависимости выходного транзистора Q2 значительно меньше, чем влияние драйвера Q1. Основным элементом, определяющим ток смещения, является именно управляющий транзистор, который рассеивает сравнительно небольшую мощность, в связи с чем — на нём гораздо проще поддерживать постоянную температуру.

Как итог — общая температурная зависимость составной пары Шиклая значительно ниже, чем у пары Дарлингтона, выходной ток которого зависит от напряжений база-эмиттер двух каскадно соединённых транзисторов, в результате чего эффект удваивается.
Это усугубляется тем фактом, что большинство усилителей, использующих выходной каскад Дарлингтона, имеют драйвер и силовой транзистор в одном корпусе, а потому оказываются установленными в одной точке радиатора.

Соберём схемы для проверки температурной зависимости транзисторных пар Шиклая и Дарлингтона


Рис.4 Схемы для проверки температурной зависимости составных транзисторов

и проверим сказанное выше.

Температура транзистораSziklai пара Darlington пара
Q1, Q3 (Driver)Q2, Q4 (Output)Выходной токВыходной ток
  25 °C  25 °C  41 mA  41 mA
  75 °C  25 °C  123 mA  96 mA
  25 °C  75 °C  44 mA  87 mA
  75 °C  75 °C  126 mA  148 mA

В таблице приведены температурные зависимости двух цепей, изображённых на Рис.4.
Поскольку гораздо проще поддерживать постоянную температуру на драйверных транзисторах, очевидно, что будет и гораздо проще поддерживать стабильный выходной ток в составной паре Шиклаи, по сравнению с цепью, использующей пару Дарлингтона.
Это было доказано на практике. Ни один из моих проектов не имеет проблем с термостабильностью, и все биполярные конструкции используют выходной каскад, выполненный на составной паре Шиклаи.

2. Двухтактные выходные каскады.

Три типовые схемы выходных каскадов усилителей мощности показаны на Рис.5. Очевидно, что есть и другие, но они обычно базируются на той или иной комбинации из представленных на рисунке.


Рис.5 Три основные схемы выходных каскадов усилителей мощности

Самой старой из представленных схем является первая схема (A) — каскад квазикомплементарной симметрии. Эта схема являлась основной до того момента, как появились комплементарные пары транзисторов разной проводимости.
А как только начался выпуск комплементарных транзисторов, основное распространение получила полностью симметричная конфигурация (B) с использованием пар Дарлингтона. В течение многих лет и до сих пор — этот тип выходного каскада остаётся самым распространённым.
При соответствующем выборе смещения все эти схемы имеют довольно хорошие характеристики искажений, причём пара Шиклаи является лучшей, а квазикомплементарная — худшей.
Все каскады, выполненные в соответствии со схемами, показанными на Рис.5, имеют менее 1% THD при нагрузке 8 Ом (Шиклаи — 0,05%, Дарлингтон — 0,23%, квазикомплементарный — 0,65%).

По причинам, которые я всегда находил неясными и несколько загадочными, я обнаружил, что каждый усилитель, который я проектировал с использованием конфигурации Шиклаи, имел паразитные колебания на отрицательной полуволне.
Добавление конденсатора небольшой ёмкости (обычно 220 пФ), установленного, как показано на схеме, было необходимо каждый раз и полностью устраняло эту проблему.

 

Составной транзистор типовые схемы. Составной транзистор

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент (3 будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов и . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный п-р-п-транзистор Дарлингтона типа , его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той, которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента . Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор п-р-п-типа, обладающий большим коэффициентом . В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами , ведет себя как один транзистор п-р-п-типа с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор р-п-р-тииа с большим коэффициентом усиления.

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только .

Как и прежде, резисторы и имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току.

Составные транзисторы — транзистор Дарлингтона и ему подобные не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа , для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от до этот транзистор принадлежит к серии элементов , которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения ). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента . Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18. Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до , а коэффициент Схема типа представляет собой согласованную пару .

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь (примерами таких схем служат операционные усилители типа .

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора Т 1 должен превышать потенциал эмиттера транзистора Т 2 , на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор T 1 не может быстро выключить транзистор Т 2 . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора Т 2 включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смешение транзистора Т 2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов Т 1 и Т 2 . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток. малый по сравнению с базовым током транзистора Т 2 . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа 2N6282, его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai). Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той. которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента β. Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор n-p-n — типа, обладающий большим коэффициентом β. В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Т 2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора T 1 Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами Т 2 и Т 3 . ведет себя как один транзистор n-p-n — типа. с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы Т 4 и Т 5 , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор p-n-p — типа. с большим коэффициентом усиления. Как и прежде, резисторы R 3 и R 4 имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы Т 4 и Т 5 , были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только n-p-n — типа.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току. Составные транзисторы — транзистор Дарлингтона и ему подобные — не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента h 21э получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа 2N5962. для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от 10 мкА до 10 мА; этот транзистор принадлежит к серии элементов 2N5961-2N5963, которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений U кэ от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения C). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента β. Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18 . Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа LM394 и МАТ-01; они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение U бэ согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до 50 мкВ), а коэффициент h 21э — до 1%. Схема типа МАТ-03 представляет собой согласованную пару p-n-p — транзисторов.

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента β можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316.

Если взять, например, транзистор MJE3055T у него максимальный ток 10А, а коэффициент усиления всего около 50, соответственно, чтобы он открылся полностью, ему надо вкачать в базу ток около двухста миллиампер. Обычный вывод МК столько не потянет, а если влючить между ними транзистор послабже (какой-нибудь BC337), способный протащить эти 200мА, то запросто. Но это так, чтобы знал. Вдруг придется городить управление из подручного хлама — пригодится.

На практике обычно используются готовые транзисторные сборки . Внешне от обычного транзистора ничем не отличается. Такой же корпус, такие же три ножки. Вот только мощи в нем больно дофига, а управляющий ток микроскопический:) В прайсах обычно не заморачиваются и пишут просто — транзистор Дарлигнтона или составной транзистор.

Например пара BDW93C (NPN) и BDW94С (PNP) Вот их внутренняя структура из даташита.


Мало того, существуют сборки дарлингтонов . Когда в один корпус упаковывают сразу несколько. Незаменимая вещь когда надо рулить каким-нибудь мощным светодиодным таблом или шаговым двигателем (). Отличный пример такой сборки — очень популярная и легко доступная ULN2003 , способная протащить до 500 мА на каждый из своих семи сборок. Выходы можно включать в параллель , чтобы повысить предельный ток. Итого, одна ULN может протащить через себя аж 3.5А, если запараллелить все ее входы и выходы. Что мне в ней радует — выход напротив входа, очень удобно под нее плату разводить. Напрямик.

В даташите указана внутренняя структура этой микросхемы. Как видишь, тут также есть защитные диоды. Несмотря на то, что нарисованы как будто бы операционные усилители, здесь выход типа открытый коллектор. То есть он умеет замыкать только на землю. Что становится ясно из того же даташита если поглядеть на структуру одного вентиля.

В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.

Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51 ). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n ).

Рисунок 7.51 — Составной p-n-p транзистор Рисунок 7.52 — Составной n-p-n по схеме Шиклаи транзистор по схеме Дарлингтона

Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51 ) с большим коэффициентом усиления по току,

Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.

Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52 ). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.

Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при

.

Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53 ). Резисторы R 1 и R 2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38 ), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,

Рисунок 7.53 — Электрическая схема монолитного импульсного транзистора Дарлингтона

Резистор R2 (порядка 100 Ом) формируется в виде технологического шунта, подобно шунтам катодного перехода тиристоров. С этой целью при формировании — эмиттера с помощью фотолитографии в определенных локальных областях оставляют окисную маску в виде круга. Эти локальные маски не позволяют диффундировать донорной примеси, и под ними остаются p- столбики (рисунок 7.54 ). После металлизации по всей площади эмиттера эти столбики представляют собой распределенное сопротивление R2 и защитный диод D (рисунок 7.53 ). Защитный диод предохраняет от пробоя эмиттерные переходы при переполюсовке коллекторного напряжения. Входная мощность потребления транзистора по схеме Дарлингтона на полтора два порядка ниже, чем у одиночного транзистора. Максимальная частота переключений зависит от предельного напряжения и тока коллектора. Транзисторы на токи успешно работают в импульсных преобразователях до частот порядка 100 кГц. Отличительной особенностью монолитного транзистора Дарлингтона является квадратичная передаточная характеристика, так как В- амперная характеристика линейно возрастает с ростом тока коллектора до максимального значения,

Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по , состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них — самым простым — является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые в одном корпусе, например: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической — с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В — или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока — вместо эмиттера VT2, вывод стока — вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера — до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по . Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по . К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа , (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.

Читайте также…

Транзистор Дарлингтона. Как проверить и принцип работы

Составной транзистор Дарлингтона компонуется из пары стандартны транзисторов, объединённых кристаллом и общим защитным покрытием. Обычно на чертежах для отметки положения подобного транзистора не применяют никаких специальных символов, только тот, которым отмечают транзисторы стандартного типа.

К эмиттерной цепи одного из элементов присоединён нагрузочный резистор. Выводы транзистора Дарлингтона аналогичны биполярному полупроводниковому триоду:

  • база;
  • эмиттер;
  • коллектор.

Помимо общепринятого варианта составного транзистора существует несколько его разновидностей.

Пара Шиклаи и каскодная схема

Другое название составного полупроводникового триода – пара Дарлингтона. Кроме неё существует также пара Шиклаи. Это сходная комбинация диады основных элементов, которая  отличается тем, что включает в себя разнотипные транзисторы.

Что до каскодной схемы, то это также вариант составного транзистора, в котором один полупроводниковый триод  включается по схеме с ОЭ, а другой по схеме с ОБ. Такое устройство аналогично простому транзистору, который включён в схему с ОЭ, но обладающему более хорошими показателями по частоте, высоким входным сопротивлением и большим линейным диапазоном с меньшими искажениями транслируемого сигнала.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также IGBT-транзистор, который включает в себя биполярный и полевой транзистор, используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.

Особенности работы устройства

У составных транзисторов постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника  на переходе база-эмиттер вдвое превышает стандартное. Уровень уменьшения напряжения на открытом транзисторе примерно равен тому падению напряжения, которое имеет диод.

По данному показателю составной транзистор сходен с понижающим трансформатором. Но относительно характеристик трансформатора транзистор Дарлингтона обладает гораздо большим усилением по мощности. Подобные транзисторы могут обслуживать работу переключателей частотой до 25 Гц.

Система промышленного  выпуска составных транзисторов налажена таким образом, что модуль полностью укомплектован и оснащён эмиттерным резистором.

Как проверить транзистор Дарлингтона

Самый простой способ проверки составного транзистора заключается в следующем:

  • Эмиттер подсоединяется к «минусу» источника питания;
  • Коллектор подсоединяется к одному из выводов лампочки, второй её вывод перенаправляется на «плюс» источника питания;
  • Посредством резистора к базе передаётся плюсовое напряжение, лампочка светится;
  • Посредством резистора к базе передаётся минусовое напряжение, лампочка не светится.

Если всё получилось так, как описано, то транзистор исправен.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Составные транзисторы пара дарлингтона. Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи). Защита транзистора от глубокого насыщения

Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по , состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них — самым простым — является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые в одном корпусе, например: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической — с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В — или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока — вместо эмиттера VT2, вывод стока — вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера — до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по . Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по . К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа , (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора Т 1 должен превышать потенциал эмиттера транзистора Т 2 , на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор T 1 не может быстро выключить транзистор Т 2 . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора Т 2 включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смешение транзистора Т 2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов Т 1 и Т 2 . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток. малый по сравнению с базовым током транзистора Т 2 . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа 2N6282, его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai). Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той. которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента β. Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор n-p-n — типа, обладающий большим коэффициентом β. В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Т 2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора T 1 Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами Т 2 и Т 3 . ведет себя как один транзистор n-p-n — типа. с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы Т 4 и Т 5 , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор p-n-p — типа. с большим коэффициентом усиления. Как и прежде, резисторы R 3 и R 4 имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы Т 4 и Т 5 , были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только n-p-n — типа.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току. Составные транзисторы — транзистор Дарлингтона и ему подобные — не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента h 21э получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа 2N5962. для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от 10 мкА до 10 мА; этот транзистор принадлежит к серии элементов 2N5961-2N5963, которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений U кэ от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения C). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента β. Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18 . Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа LM394 и МАТ-01; они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение U бэ согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до 50 мкВ), а коэффициент h 21э — до 1%. Схема типа МАТ-03 представляет собой согласованную пару p-n-p — транзисторов.

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента β можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316.

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.

Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор «кирпичиков» с известными свойствами гораздо легче строить «здание» того или другого устройства.

Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.

Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, — увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.

Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.

Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (). Недостаток такого самозащитного транзистора — снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на . Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.

Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.

При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (). В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы. В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.

Повысить крутизну транзистора (отношение изменения тока коллектора (стока) к вызвавшему его изменению напряжения на базе (затворе) при постоянном Uкэ Uси)) можно с помощью схемы Дарлингтона (). Резистор в цепи базы второго транзистора (может отсутствовать) применяют для задания тока коллектора первого транзистора. Аналогичный составной транзистор с высоким входным сопротивлением (благодаря применению полевого транзистора) представлен на . Составные транзисторы, представленные на рис. и , собраны на транзисторах разной проводимости по схеме Шиклаи.

Введение в схемы Дарлингтона и Шиклаи дополнительных транзисторов, как показано на рис. и , увеличивает входное сопротивление второго каскада по переменному току и соответственно коэффициент передачи . Применение аналогичного решения в транзисторах рис. и даёт соответственно схемы и , линеаризируя крутизну транзистора .

Широкополосный транзистор с высоким быстродействием представлен на . Повышение быстродействия достигнуто в результате уменьшения эффекта Миллера аналогично и .

«Алмазный» транзистор по патенту ФРГ представлен на . Возможные варианты его включения изображены на . Характерная особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе. Отсюда и увеличение вдвое нагрузочной способности схемы .

Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображён на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путём замены транзистора VT3 на составной транзистор ().

Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора p-n-p типа, а также полевого транзистора с каналом p-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора () или в цепь эмиттера ().

Как видно из приведённых формул, наименьшее падение напряжения, а соответственно и минимальная рассеиваемая мощность — на простом транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора. Применение составного транзистора Дарлингтона и Шиклаи с нагрузкой в цепи коллектора равнозначно. Транзистор Дарлингтона может иметь преимущество, если коллекторы транзисторов не объединять. При включении нагрузки в цепь эмиттера преимущество транзистора Шиклаи очевидно.

Литература:

1. Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977.
2. Патент США 4633100: Публ. 20-133-83.
3. А.с. 810093.
4. Патент США 4730124: Публ.22-133-88. — С.47.

1. Увеличение мощности транзистора.

Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.

2. Защита от перегрузки по току.

Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.

Другой вариант — благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, и на нём будет рассеиваться меньшая мощность.

3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением.

Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.

Другая схема — за счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор имеет ещё более высокие динамические характеристики (единственное условие — второй транзистор должен иметь более высокое напряжение отсечки). Входной транзистор можно заменить на биполярный.

4. Защита транзистора от глубокого насыщения.

Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.

Более сложный вариант — схема Бейкера. При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы «лишний» базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение.

5. Схема ограничения насыщения относительно низковольтных ключей.

С датчиком тока базы.

С датчиком тока коллектора.

6. Уменьшение времени включения/выключения транзистора путём применения форсирующей RC цепочки.

7. Составной транзистор.

Схема дарлингтона.

Схема Шиклаи.

В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.

Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51 ). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n ).

Рисунок 7.51 — Составной p-n-p транзистор Рисунок 7.52 — Составной n-p-n по схеме Шиклаи транзистор по схеме Дарлингтона

Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51 ) с большим коэффициентом усиления по току,

Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.

Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52 ). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.

Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при

.

Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53 ). Резисторы R 1 и R 2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38 ), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,

Рисунок 7.53 — Электрическая схема монолитного импульсного транзистора Дарлингтона

Резистор R2 (порядка 100 Ом) формируется в виде технологического шунта, подобно шунтам катодного перехода тиристоров. С этой целью при формировании — эмиттера с помощью фотолитографии в определенных локальных областях оставляют окисную маску в виде круга. Эти локальные маски не позволяют диффундировать донорной примеси, и под ними остаются p- столбики (рисунок 7.54 ). После металлизации по всей площади эмиттера эти столбики представляют собой распределенное сопротивление R2 и защитный диод D (рисунок 7.53 ). Защитный диод предохраняет от пробоя эмиттерные переходы при переполюсовке коллекторного напряжения. Входная мощность потребления транзистора по схеме Дарлингтона на полтора два порядка ниже, чем у одиночного транзистора. Максимальная частота переключений зависит от предельного напряжения и тока коллектора. Транзисторы на токи успешно работают в импульсных преобразователях до частот порядка 100 кГц. Отличительной особенностью монолитного транзистора Дарлингтона является квадратичная передаточная характеристика, так как В- амперная характеристика линейно возрастает с ростом тока коллектора до максимального значения,

Составной транзистор Дарлингтона компонуется из пары стандартны транзисторов, объединённых кристаллом и общим защитным покрытием. Обычно на чертежах для отметки положения подобного транзистора не применяют никаких специальных символов, только тот, которым отмечают транзисторы стандартного типа.

К эмиттерной цепи одного из элементов присоединён нагрузочный резистор. Выводы транзистора Дарлингтона аналогичны биполярному полупроводниковому триоду:

  • база;
  • эмиттер;
  • коллектор.

Помимо общепринятого варианта составного транзистора существует несколько его разновидностей.

Пара Шиклаи и каскодная схема

Другое название составного полупроводникового триода – пара Дарлингтона. Кроме неё существует также пара Шиклаи. Это сходная комбинация диады основных элементов, которая отличается тем, что включает в себя разнотипные транзисторы.

Что до каскодной схемы, то это также вариант составного транзистора, в котором один полупроводниковый триод включается по схеме с ОЭ, а другой по схеме с ОБ. Такое устройство аналогично простому транзистору, который включён в схему с ОЭ, но обладающему более хорошими показателями по частоте, высоким входным сопротивлением и большим линейным диапазоном с меньшими искажениями транслируемого сигнала.

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Мощность и сложность транзистора Дарлингтона может регулироваться через увеличение количества включённых в него биполярных транзисторов. Существует также , который включает в себя биполярный и , используется в сфере высоковольтной электроники.

Главным достоинством составных транзисторов считается их способность давать большой коэффициент усиления по току. Дело в том, что, если коэффициент усиления у каждого из двух транзисторов будет по 60, то при их совместной работе в составном транзисторе общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов входящих в его состав транзисторов (в данном случае — 3600). Как результат — для открытия транзистора Дарлингтона потребуется довольно небольшой ток базы.

Недостатком составного транзистора считается их низкая скорость работы, что делает их пригодными для использования только в схемах работающих на низких частотах. Зачастую составные транзисторы фигурируют как компонент выходных каскадов мощных низкочастотных усилителей.

Особенности работы устройства

У составных транзисторов постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника на переходе база-эмиттер вдвое превышает стандартное. Уровень уменьшения напряжения на открытом транзисторе примерно равен тому падению напряжения, которое имеет диод.

По данному показателю составной транзистор сходен с понижающим трансформатором. Но относительно характеристик трансформатора транзистор Дарлингтона обладает гораздо большим усилением по мощности. Подобные транзисторы могут обслуживать работу переключателей частотой до 25 Гц.

Система промышленного выпуска составных транзисторов налажена таким образом, что модуль полностью укомплектован и оснащён эмиттерным резистором.

Как проверить транзистор Дарлингтона

Самый простой способ проверки составного транзистора заключается в следующем:

  • Эмиттер подсоединяется к «минусу» источника питания;
  • Коллектор подсоединяется к одному из выводов лампочки, второй её вывод перенаправляется на «плюс» источника питания;
  • Посредством резистора к базе передаётся плюсовое напряжение, лампочка светится;
  • Посредством резистора к базе передаётся минусовое напряжение, лампочка не светится.

Если всё получилось так, как описано, то транзистор исправен.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Нанослой композита ZnO с квантованием края подвижности для многозначных логических транзисторов

Нанослой композита

ZnO и резонансная гибридизация

Тонкие пленки органо-неорганической гибридной сверхрешетки со структурами квантовых ям были изготовлены с использованием осаждения молекулярных слоев (MLD) и осаждения атомных слоев (ALD) ) для получения молекулярных слоев 4-меркаптофенола (4MP) с линкерами Al (Al4MP) и нанослоями ZnO соответственно, как показано на дополнительном рис. 1. Органический нанослой Al4MP толщиной 10 нм в качестве барьерной стенки был сформирован на кремниевой подложке. на 20 циклов MLD.Неорганический нанослой ZnO в качестве активной лунки был нанесен на органический слой с помощью 19 циклов ALD с использованием диэтилцинка (DEZ) и воды в качестве прекурсоров. Толщина нанослоя ZnO составляла 2,8 нм. Полученные в результате тонкие пленки гибридной сверхрешетки с квантовыми ямами ZnO легко выращивались на подложках при низких температурах (ниже 150 ° C) с помощью повторяющихся процессов MLD и ALD в той же реакционной камере. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) была использована для характеристики тонкой пленки гибридной сверхрешетки с тройными квантовыми ямами ZnO.Поперечное сечение ПЭМ позволило напрямую наблюдать квантовые ямы и подтвердило ожидания отдельных нанослоев Al4MP и ZnO в гибридной тонкой пленке (рис. 1а). Измеренная толщина структуры с квантовыми ямами составила примерно 10 и 2,8 нм для Al4MP и ZnO соответственно. ПЭМ-изображения также показали точный контроль толщины каждого слоя и чрезвычайно низкую шероховатость поверхности, сравнимую с шероховатостью кремниевой подложки, а также четкие границы раздела между нанослоями. Эти результаты подтвердили успешное создание тонких пленок гибридных сверхрешеток с квантовыми ямами ZnO.

Рис. 1

Композитный нанослой оксида цинка (ZnO) с квантованием края подвижности посредством резонансной гибридизации. a Схематическое изображение тонкой пленки органо-неорганической гибридной сверхрешетки. Поперечное сечение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) гибридной сверхрешетки и нанослоя ZnO в сверхрешетке. Желтые кружки с пунктирными линиями вдоль нанослоя ZnO представляют квантовые точки (КТ) ZnO. b Схематическое изображение резонансной гибридизации квантованных уровней энергии квантовых точек ZnO с локализованными уровнями аморфного ZnO ​​для композитного нанослоя ZnO. c Принципиальная схема полной плотности состояний композитного нанослоя ZnO в гибридной сверхрешетке. d Фотография массивов интегрированных многозначных логических транзисторов на 4-дюймовых кремниевых пластинах с SiO толщиной 300 нм 2 . Схематическая структура в правом красном прямоугольнике представляет собой единичный транзистор, содержащий тонкие пленки гибридной сверхрешетки e Линейно-масштабные передаточные характеристики бинарного транзистора с одним нанослоем ZnO в структурах с квантовыми ямами.Схема структуры активного слоя транзистора представлена ​​на вставке изображения. f Линейно-масштабные передаточные характеристики четвертичного транзистора с тройными нанослоями ZnO. Схема структуры активного слоя в транзисторе представлена ​​на вставке изображения

. На ПЭМ-изображении с высоким разрешением поперечного сечения одиночной квантовой ямы на рис. 1а показан нанослой ZnO со средней толщиной ~ 2,8 нм. . Кружки с желтыми пунктирными линиями на рис.1а обозначают нанокристаллы ZnO (квантовые точки, квантовые точки), окруженные аморфными доменами ZnO (a-ZnO), что указывает на то, что нанослой ZnO представляет собой составную систему квантовых точек и аморфных доменов. Кроме того, домены a-ZnO образуют тонкий пористый слой, в котором размещены внедренные КТ, что приводит к гетерогенным электронным системам аморфного пористого слоя и КТ. Электронная структура композитного нанослоя ZnO определяется структурой квантовых точек a-ZnO, ZnO и их межфазным взаимодействием. В отличие от кристаллических 2D или 3D полупроводников с четко определенными краями зоны проводимости и валентной зоны (см. Дополнительный рис.2а) аморфные полупроводники имели широкое распределение локализованных состояний, и перколяция (или связность) локализованных состояний определяла подвижность носителей заряда, отмеченную краями подвижности (см. Дополнительный рис. 2б). Из-за наличия пористых доменов a-ZnO композитный нанослой имел много локализованных состояний, диспергированных в хвосте зоны проводимости (ниже края подвижности a-ZnO). Кроме того, квантовые точки ZnO в композитном нанослое имели квантованные дискретные состояния, локализованные внутри квантовых точек (см. Дополнительный рис.3d). Для композитного нанослоя ZnO резонансное согласование энергии между локализованными состояниями аморфных доменов и квантованными дискретными состояниями квантовых точек вызвало селективную гибридизацию энергетических состояний на их границах раздела (как показано на рис. 1b), что привело к появлению делокализованных транспортных каналов в квантовых точках. уровни энергии. Эта уникальная гибридизация произвела неожиданное квантованное проводящее состояние чуть ниже края подвижности a-ZnO (рис. 1c), которое сформировало квантованный край подвижности за счет явления квантового ограничения квантовых точек.Обратите внимание, что квантованное проводящее состояние на границе подвижности имело низкую плотность состояний (DOS) (одно состояние на квантовую точку, составляющую 2–3 нм), что эффективно ограничивало бы доступное количество носителей через квантованное мобильное состояние.

Полевые транзисторы (FET) с многоуровневой проводимостью были изготовлены с использованием тонких пленок гибридной сверхрешетки Al4MP-ZnO в качестве активных слоев. Тонкие пленки гибридной сверхрешетки были нанесены на кремниевые подложки с превосходным качеством пленки и однородностью с использованием MLD-ALD.Структурная и электрическая однородность тонкой пленки гибридной сверхрешетки позволила изготавливать массивы многозначных логических транзисторов в масштабе пластины, как показано на рис. 1d. Подробная информация о процессе изготовления представлена ​​в разделе «Методы». Кроме того, 284 тройных полевых транзистора в пластине демонстрируют по существу равномерное распределение передаточных характеристик, как показано на дополнительном рисунке 4. Успех процесса изготовления предполагает, что применение этих полевых транзисторов большой площади в электронике и вычислениях следующего поколения может быть осуществимым.На рисунке 1d представлена ​​схема устройства многозначного полевого транзистора с конфигурацией нижнего затвора и верхнего контакта. Состав тонкой пленки гибридной сверхрешетки варьировался путем управления количеством нанослоев композита ZnO. Чтобы продемонстрировать электрические характеристики в соответствии с изменением состава сверхрешетки, мы изготовили два набора многозначных полевых транзисторов с использованием одинарного и двойного нанослоев ZnO. На рисунке 1д показаны передаточные характеристики транзистора на основе одиночного нанослоя ZnO со структурой квантовых ям, измеренные при В D = 1 В.Первоначально, когда В G увеличивалось, ток I D быстро увеличивался (до 3,9 нА при В G 1 В), но ток насыщался при определенном напряжении затвора из-за накопления электронов на нанослое ZnO ограничивалось ограничением плотности состояний в квантованном расширенном состоянии. Ток стока оставался постоянным независимо от развертки напряжения затвора, что приводило к четко определенному состоянию и формированию промежуточного состояния.Для полевого транзистора, содержащего двойные нанослои ZnO в структурах с квантовыми ямами, были четко сформированы два состояния насыщения тока, как показано на дополнительном рисунке 5. Кроме того, транзистор с тремя нанослоями ZnO имел четверные уровни: включенное и выключенное состояния и два промежуточных состояния. состояний между включенным и выключенным состояниями, как показано на рис. 1f. Эти результаты показывают, что количество промежуточных состояний зависит от количества нанослоев композита ZnO в структурах с квантовыми ямами. Что еще более важно, впервые в истории создания многозначных логических устройств, двоичные, тройные и четверные устройства были одновременно созданы на основе одной и той же системы материалов — композитного нанослоя ZnO.Важно отметить, что многоступенчатая природа полевого транзистора, основанного на многозначных транзисторах, может контролироваться количеством нанослоев, и могут быть достигнуты многозначные логические схемы с более высоким основанием.

Квантование края подвижности и насыщение по току, ограниченное плотностью состояний

Квантовое ограничение и квантование края подвижности теперь подробно объясняются с использованием экспериментальных данных и теоретических расчетов для композитных нанослоев ZnO. В общем, аморфные полупроводники имеют много локализованных состояний, которые препятствуют переносу электронов, известное как локализация Андерсона 25 , и эта локализация создает локализованные состояния с низкой плотностью и делокализованные (т.е.e., расширенные) электронные состояния с высокой плотностью, приводящие к локализованным состояниям хвоста зоны, показанным на дополнительном рис. 2b. Границы подвижности определяют границу между проводящим и локализованным состояниями. В кристаллических полупроводниках краевые состояния зон расширены и совпадают с краями подвижности, но в аморфных полупроводниках края подвижности являются границей между локализованными и расширенными состояниями и определяют практическую ширину запрещенной зоны, в которой подавляется перенос электронов 26,27,28 (дополнительный рис.2а, б). Теория перколяции может описать переход локализация-делокализация как функцию плотности электронных состояний в аморфных полупроводниках 29 . При низкой плотности электронов в локализованных состояниях прыжки электронов между узлами экспоненциально локализованы по среднему расстоянию, но при более высокой плотности состояний электронные состояния перекрываются в достаточной степени, чтобы образовать делокализованные состояния. Количественно степень локализации электронного состояния может быть рассчитана по делокальности ( D ) волновой функции, как определено в уравнении S1 на дополнительном рис.6. Делокальность электронного состояния связана с долей доступного пространственного объема состояния в классическом смысле (т. Е. Относительной объемной долей, когда энергия больше потенциала по сравнению с общим объемом) и может использоваться для определения локализованного или расширенные состояния. В связи с теорией перколяции делокальность увеличивается с увеличением энергии состояния выше края зоны проводимости кристаллического ZnO. Пороговое значение делокальности ( D c ) является количественным критерием для определения местоположения пороговой энергии перколяции E c (или E v ), которая представляет собой край подвижности 29 .Ниже пороговой делокальности ( D < D c ) волновая функция изолирована, будучи встроенной в недоступный объем извне. В качестве альтернативы, выше порога ( D, > D , c ) волновая функция может распространяться по системе, т.е. становиться делокализованной, обеспечивая перенос заряда. Подробный процесс определения критерия D ( D c ) описан на дополнительном рис.6 и сопроводительный текст.

Мы рассматриваем делокальность композитного нанослоя, состоящего из полупроводниковых квантовых нанокристаллов и его аморфных доменов, т.е. нанокристаллов, внедренных в его аморфные 2D пористые домены. Нанослои ZnO, полученные при низких температурах (ниже 150 ° C) методом ALD, состояли из квантовых точек и аморфных доменов, то есть нанокристаллов ZnO, внедренных в аморфный ZnO. На ПЭМ-изображении композитного нанослоя на рис. 2а вид сверху показывает кристаллические квантовые точки ZnO (красные кружки), окруженные аморфными доменами.Изображения быстрого преобразования Фурье (БПФ) для каждой части показаны на дополнительном рисунке 7 30,31 . Средний размер зерна квантовых точек ZnO составлял приблизительно 3 (± 1) нм, а среднее расстояние между квантовыми точками составляло приблизительно 2,5 нм. Мы выполнили расчеты теории функционала плотности для изучения квантования края подвижности с использованием атомной модельной структуры композитного нанослоя ZnO (384-атомная ячейка, состоящая из квантовых точек ZnO и аморфных доменов ZnO; подробности расчетов см. В разделе «Методы»), как показано на рис. .2b. Серия волновых функций (| Ψ | 2 ) изоповерхностей для каждого локализованного, квантованного расширенного и расширенного состояний была рассчитана на основе рассчитанных электронных структур, как показано на дополнительном рис. 8. Расчетная делокальность нанослоя ZnO показала, что наличие локализованных состояний в хвосте зоны проводимости в нанослое ZnO (рис. 2в) за счет аморфных доменов ZnO. Однако внутри хвоста были квантованные дискретные делокализованные состояния из-за связи с дискретными уровнями энергии ( E QD ) КТ ZnO, как показано на рис.2c. Волновая функция квантованного состояния была делокализована по КТ и аморфным доменам посредством резонансной гибридизации, как показано на изоповерхности волновой функции на рис. 2d. Эта гибридизация эффективно увеличила делокальность локализованных состояний на E = E QD , чтобы превысить критическую делокальность ( D > D c ), и возникли проводящие состояния, как показано на рис. 2в. Однако чуть выше квантованного дискретного уровня энергии КТ ZnO, т.е.е. когда E > E QD , делокальность уменьшилась ниже порога ( D < D c ) из-за отсутствия разрешенных состояний внутри КТ, и проводящие состояния исчезли в пределах пористый 2D нанослой a-ZnO. Квантованное расширенное состояние определяет край подвижности, который отличается от непрерывных расширенных состояний однородной аморфной системы, и мы придумали термин «квантование края подвижности» для обнаруженного явления.

Рис. 2

Квантованные протяженные состояния композитного нанослоя оксида цинка (ZnO) в структуре квантовой ямы. a Изображение нанослоя ZnO, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), вид сверху. Пунктирные красные кружки соответствуют нанокристаллам ZnO, внедренным в аморфные домены ZnO. b Атомная структура нанослоя ZnO, представленная в виде периодического изображения 2 × 2 384-атомной ячейки. Серые и красные шары обозначают атомы Zn и O соответственно. Синие шестиугольники показывают границы между нанокристаллами во внутренней области и аморфными доменами во внешней области. c Полная плотность состояний для нанослоя композита ZnO. Серые пунктирные линии с E v и E c представляют края подвижности валентной зоны и зоны проводимости, соответственно. Квантованные расширенные состояния чуть выше E c обозначены синей стрелкой. d Изоповерхность волновой функции (| Ψ | 2 ) в квантованном расширенном состоянии перекрывала атомную структуру нанослоя ZnO. e Схема структуры бинарных полевых транзисторов с композитом ZnO и поликристаллическими нанослоями в структуре с квантовыми ямами. f Изображение поперечного сечения нанослоя поликристаллического ZnO ​​без аморфных доменов, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). г Линейно-масштабные передаточные характеристики двух бинарных транзисторов с нанослоем композита ZnO (красный) или высококристаллическим нанослоем ZnO (черный). ч Схематическая диаграмма энергетических зон композитного нанослоя ZnO полевого транзистора при В G > 1 В

Чтобы подтвердить квантование композитного нанослоя ZnO в структуре квантовой ямы, мы зажали 2.Слой ZnO толщиной 8 нм между двумя органическими барьерными слоями Al4MP. Квантование уровней энергии в традиционных полупроводниковых тонких пленках было продемонстрировано путем измерения поведения отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) в структурах электронных устройств с квантовыми ямами 32,33 . Двухбарьерные резонансно-туннельные диоды (RTD) обычно состоят из полупроводниковой структуры с квантовыми ямами, заключенной между двумя потенциальными барьерами. В нашей системе структура квантовой ямы включала барьерный слой Al4MP (10 нм) / нанослой ZnO (2.8 нм) / барьерный слой Al4MP (10 нм). Поведение NDR было подтверждено разверткой от -2,5 до 2,5 В, как показано на дополнительном рис. 9a, что указывает на то, что устройство с квантовыми ямами содержало квантованные состояния нанослоя ZnO, а также пространство между барьерами Al4MP. Симметричная кривая NDR с обеими областями напряжения показывает, что источником тока NDR были квантованные состояния нанослоя ZnO, а не накопление заряда. Следовательно, характеристики NDR устройства с квантовыми ямами были обусловлены квантованными состояниями нанослоя ZnO.Дальнейшие доказательства квантования энергии в нанослоях ZnO были ранее получены измерениями оптического поглощения 32,34 . В нашей системе тонких пленок гибридной сверхрешетки Al4MP-ZnO мы наблюдали оптический синий сдвиг в спектрах поглощения при уменьшении толщины нанослоя ZnO (дополнительный рис. 9b). Несмотря на то, что эти результаты показывают, что композитный нанослой ZnO имел квантованные энергетические состояния в вертикальном направлении, они не доказали квантование края подвижности с квантованными состояниями в направлении плоскости в дополнение к вертикальному направлению.Край подвижности аморфного полупроводника еще не доказан напрямую экспериментальным анализом даже после 50 лет интенсивных исследований 35 . Текущее насыщение в полевом транзисторе потенциально может быть использовано для демонстрации квантования края подвижности композитного нанослоя с квантовыми точками ZnO и доменами a-ZnO. Полевые транзисторы были изготовлены с использованием двух типов нанослоев ZnO в структуре квантовых ям в качестве активных каналов (рис. 2д): композитный нанослой с квантовыми точками / аморфными доменами и поликристаллический нанослой без аморфных доменов (рис.2е). В характеристиках передачи в линейном масштабе ток стока композитного нанослоя полевого транзистора насыщался и оставался постоянным независимо от развертки напряжения на затворе, в то время как электрическое поведение поликристаллического (аморфного) полевого транзистора с нанослоем было похоже на поведение типичного тонкопленочного полевого транзистора из ZnO с нет насыщения по току, как показано на Рис. 2g (Дополнительный Рис. 10). Текущее насыщение композитного нанослоя ZnO полевого транзистора можно объяснить только конечной плотностью состояний для квантованных проводящих состояний на границе подвижности, как показано на рис.2ч. Этот результат указывает на то, что низкая DOS от квантования края мобильности была существенной для текущего насыщения, потому что она эффективно ограничивала доступное количество несущих через квантованное мобильное состояние. Затем мы применили это уникальное явление для создания многозначных логических транзисторов, которые исследуются уже более полувека.

Многозначные логические транзисторы и устройства

На рисунке 3а показана структура многозначного логического транзистора с каналом, состоящим из двух нанослоев ZnO.Первый нанослой композита ZnO был покрыт органическими слоями Al4MP для формирования структуры с квантовыми ямами, а второй слой представляет собой тонкий нанослой ZnO без верхнего слоя Al4MP. Обратите внимание, что органические слои Al4MP использовались в качестве барьеров для предотвращения n-легирования поверхности ZnO, как это часто наблюдается в неорганических гетеропереходах, то есть AZO 36 и ITO 37 . Кроме того, органический слой Al4MP будет препятствовать проникновению прекурсора ALD в слой ZnO во время осаждения, что объясняет резкую границу раздела между ZnO и слоем Al4MP 38 (рис.1а). Нанослой ZnO, окруженный органическим слоем Al4MP, имел гладкую морфологию с резкими границами раздела. Схематическая диаграмма энергетических зон устройства, находящегося в равновесии при нулевом смещении затвора, показана на рис. 3b; это представляет собой вертикальный путь от электрода истока к электроду затвора. Изолированный красный пик на краю подвижности указывает на квантованное расширенное энергетическое состояние в первом нанослое ZnO, как показано на рис. 3b. Энергия зоны проводимости как -1,0 эВ и энергия валентной зоны как -7,2 эВ нанослоя Al4MP были измерены с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (UPS) и глубокой ультрафиолетовой (DUV) спектроскопии (дополнительный рис.11). На рисунке 3c показаны измеренные характеристики передачи ( I D V G ) многозначного логического транзистора; транзистор с троичной логикой в ​​этом случае из-за трех разделенных состояний. Ток стока, насыщенный при 3,9 нА, формирует отчетливое промежуточное состояние в области В G = 1–2 В, а затем снова увеличивается, давая ступенчатое значение I D В G характеристики.Во время этой операции не наблюдается значительного гистерезиса (дополнительный рис. 12). Текущий уровень промежуточного состояния можно модулировать, регулируя толщину первого слоя ZnO, как показано на дополнительном рис. 13. Это очень своеобразное поведение, которое не ожидается от двух параллельно соединенных слоев ZnO, потому что ток от обоих слоев должен увеличиваются одновременно.

Рис. 3

Тройной транзистор с композитными нанослоями из двойного оксида цинка (ZnO). а Схема структуры тройного транзистора. b Диаграмма энергетических зон тройного транзистора в заземленном состоянии ( В, G = 0). c Передаточные характеристики тройного транзистора при В D = 1 В. d Измеренные и смоделированные передаточные характеристики тройного транзистора при В D = 1 В. e Выход ( I D В D ) характеристики тройного транзистора при различных значениях В, G, . f h Идеальное представление диаграмм энергетических зон от истока до затвора в тройном транзисторе. Диаграммы диапазонов соответствуют региону I ( f ), региону II ( g ) и региону III ( h ), как показано на рис. 3c, соответственно. i Характеристики передачи напряжения тройного инвертора, изготовленного с использованием тройного транзистора. На вставке показана принципиальная электрическая схема тройного инвертора. j Характеристики передачи напряжения «бабочка» для запаса статического шума. k Переходные характеристики затворов NMIN и NMAX на основе тройных транзисторов

Чтобы понять механизм проводимости тока и предсказать производительность устройства, мы выполнили теоретическое моделирование с учетом уникальной электронной структуры первого композитного нанослоя ZnO с квантовыми точками и аморфными доменами, которые дали квантованные проводящие энергетические состояния на границе подвижности. Технологическое компьютерное моделирование (TCAD) было построено и откалибровано путем включения модели Шредингера-Пуассона, а также модели диффузионного дрейфа в Silvaco ATLAS-2D.Параметры моделирования перечислены в дополнительной таблице 1. Как показано на рис. 3d, экспериментальная передаточная кривая в линейном масштабе показала хорошее согласие с теоретической моделью, что указывает на то, что наша физическая модель действительна и может использоваться для прогнозирования производительности устройства. 39 . На рисунке 3e показаны выходные характеристики ( I D V D ) транзистора с тройной логикой. Помимо наличия промежуточного состояния при низком уровне тока, тройной логический транзистор демонстрировал типичные выходные характеристики полевых транзисторов: проводимость канала явно увеличивалась, когда В D увеличивалась при положительном напряжении В G и затем стал насыщенным, как в типичном ZnO FET.Обратите внимание, что I D в выходных характеристиках изменились очень мало, когда V G находились в промежуточном диапазоне (дополнительный рис. 14).

Работу транзистора с тройной логикой можно более интуитивно объяснить с помощью диаграмм энергетических диапазонов на рис. 3f – h. Когда В G увеличилось выше 0 В (область I на рис. 3c), электроны из источника инжектировались во внедренный первый слой ZnO, и устройство включалось, как показано на рис.3f. Когда положительный сигнал В G увеличивается более чем на 1 В, ток насыщается около 3,9 нА с очень небольшими колебаниями, поскольку DOS для квантованных проводящих состояний в первом слое ZnO ограничивается фиксированной величиной (рис. 3g). Таким образом, насыщенный ток стока без флуктуаций приводит к устойчивому промежуточному состоянию между включенным и выключенным состояниями обычных транзисторов (область II на рис. 3c). Режим насыщения тока был обусловлен уникальной электронной структурой композитного нанослоя ZnO, который имел только конечную плотность состояний для квантованных проводящих состояний на границе подвижности на рис.2c. Поскольку максимальное накопление заряда в слое ZnO 1 st было ограничено, электрическое поле, индуцированное затвором, не могло быть полностью экранировано в областях с более высоким смещением (также см. Схематические изображения на дополнительном рисунке 15). Электрическое поле от смещения затвора выше 2 В проникает в первый слой и притягивает заряды во втором слое ZnO на рис. 3h, что приводит к второму увеличению тока стока. С этого момента электрическое поведение второго слоя ZnO было аналогично поведению типичного тонкопленочного полевого транзистора ZnO, как показано в области III на рис.3c. Наше устройство также показало отличную стабильность благодаря своей прочной сверхрешеточной структуре (дополнительный рис. 16), даже несмотря на то, что в устройстве использовались органические слои Al4MP. Ток в промежуточном состоянии оставался почти постоянным даже через 180 дней. Тонкие пленки гибридной сверхрешетки также были стабильны на воздухе до 500 ° C из-за наличия ковалентно связанных гибридных слоев (дополнительный рис. 17).

Вдохновленные превосходной стабильностью наших многозначных логических транзисторов, мы создали инвертор с резистивной нагрузкой.На рисунке 3i показана измеренная кривая передачи напряжения (VTC) инвертора с резистивной нагрузкой со схемой, изображенной на вставке. Состояния троичной логики: низкий 0, промежуточный 1 и высокий 2 были реализованы с помощью переданных выходных напряжений ( В, из ) 0,12 В, 2,6 В и 4,75 В, соответственно, во входном напряжении ( В, в ) в диапазоне 5 В. Симметричный В в В из диапазона VTC показал, что усиление напряжения ( A В = | d В на выходе / d В в |, т.е.е., абсолютное значение крутизны VTC) тройного логического транзистора было намного больше, чем единичное усиление, что привело к большему запасу шума при стабильном высоком, низком и промежуточном логических состояниях. Типичная стабильность логического элемента может быть оценена с помощью запаса статического шума (SNM) в В, , , в В, , из , конфигурация перекрестно связанного инвертора, 40 . В отличие от двоичной логики тройные VTC-бабочки обеспечивают четыре запаса по шуму, представленные длиной диагонали каждого максимального квадрата (рис.3j). SNM определяется наименьшим (наихудшим) запасом помехоустойчивости 0,6 В, что составляет 34% от идеального SNM (равно √2 × В DD /4; например, 1,77 В для В DD = 5 В) и может быть улучшен путем дальнейшей оптимизации устройства. Транзистор с тройной логикой, продемонстрированный в этой работе, имел достаточное усиление по напряжению и SNM для стабильной работы тройного инвертора. Чтобы продемонстрировать возможность работы сложной схемы, мы разработали логические вентили NMIN и NMAX с резистивной нагрузкой, используя модель устройства, совместимую со схемой, и параметры устройства тройного транзистора (дополнительный рис.18). Переходные характеристики логических вентилей NMIN и NMAX были смоделированы с помощью В, DD = 5 В и времени переходного процесса 0,1 нс. Уровни напряжения 5 В, 2,5 В и 0 В на рис. 3k эквивалентны логическим значениям «2», «1» и «0» соответственно. Как показано на рис. 3k, таблица истинности для логических вентилей NMIN и NMAX, которая эквивалентна операциям И и ИЛИ в двоичной логике, соответственно, была успешно проверена только с несколькими сбоями, возникающими из-за ошибок синхронизации. Эти ошибки легко устранить при правильной оптимизации устройства.Преимущество троичных логических схем заключается в резком уменьшении количества устройств, необходимых для выполнения тех же функций с использованием двоичных логических схем. В случае NMIN и NMAX количество транзисторов с тройной логикой составляло лишь около 60% от количества двоичных транзисторов, необходимых для выполнения аналогичных функций. Эти результаты показывают, что многозначный логический транзистор, разработанный в этой работе, является многообещающим кандидатом для многозначных логических схем.

Эффекты повреждения и механизм повреждения кремниевого монолитного композитного транзистора NPN под действием мощных микроволн

1.Введение

Как форма сильной электромагнитной волны, мощная микроволновая печь (HPM) вызовет отказ или выгорание полупроводникового устройства через муфту передней дверцы и муфту задней дверцы, [1] , тем самым влияя на нормальную работу вся система цепи. С развитием электронных информационных технологий электромагнитная среда становится все более сложной. Влияние HPM на современные полупроводниковые приборы и схемы привлекает все большее внимание. [2–12]

Моделирование биполярного переходного транзистора (BJT) с инжекцией сильных электромагнитных импульсов из коллектора было смоделировано с использованием метода конечных разностей во временной области в двух измерениях, результаты показали, что место повреждения лежало между эмиттером и коллектором, где происходит лавинный пробой. [13] Переходные характеристики были смоделированы с использованием программы моделирования двумерного полупроводникового устройства улучшителя, чтобы получить эффект разрушения БЮТ под воздействием электромагнитного импульса, который показал, что пиковая температура появляется на краю эмиттер. [14] В справочнике. [15] построена типичная кремниевая структура БПЯ n + –p – p – n + , вызванная HPM, результаты моделирования показали, что наиболее уязвимое место устройства расположено у цилиндра основания –Эмиттерный переход с инжектируемыми с коллектора сигналами. Кроме того, устройство легче разрушается сигналами, подаваемыми с базы, по сравнению с сигналами, подаваемыми с коллектора. В исх. [16], импульсный сигнал HPM вводится в основание BJT, как результаты моделирования, так и экспериментальные результаты продемонстрировали, что импульс индукционного напряжения, генерируемый сигналом HPM, привел к разрушению области основания и большому количеству предохранителя. и дефекты, которые приводят к выходу устройства из строя.Влияние электромагнитных импульсов (ЭМИ) на БЮТ с базовой инжекцией было исследовано путем численного моделирования и теоретического исследования, было обнаружено, что горячее пятно расположено на краю базы, поскольку пиковое значение электрического поля и тока плотности находятся в этой точке, где сосредоточено тепловыделение, а энергия, необходимая для выгорания, является наименьшей по сравнению с двумя другими формами впрыска. [17] Амплитуда импульсного сигнала инжекции в базе является одним из факторов, влияющих на механизм повреждения и точки повреждения, [18] Результаты моделирования показали, что транзистор был разрушен из-за обратного лавинообразного пробоя базы. –Эмиттерный переход при малой амплитуде импульса, и транзистор перегорел из-за вторичного пробоя диода p – n – n + , состоящего из области базы, эпитаксиального слоя и подложки, при большой амплитуде импульса.Был проведен эксперимент с эффектом повреждения кремниевого малошумящего усилителя (МШУ) с вводимым на базовый терминал микроволновым импульсным сигналом, который показал, что местный кремниевый материал будет эродирован и поврежден в базовой области, пока микроволновая мощность достаточно велика. что приводит к короткому замыканию переходов база-эмиттер и база-коллектор, что приводит к выходу из строя транзистора. [19] Используя комбинацию результатов моделирования и экспериментов, были проведены испытания подвода энергии на биполярном МШУ из Si и GaAs, результаты показали, что точка повреждения находилась между базой и эмиттером T2.Между тем, эксперименты на кремниевом МШУ показали, что пассивное сопротивление внутри МШУ также является уязвимым и слабым звеном под действием внешней энергии. [20–22]

Составной транзистор широко используется в схемах управления большой нагрузкой, схемах усилителя мощности, схемах переключения и схемах автоматического управления из-за своих преимуществ, таких как большой ток, высокое усиление, малый объем, быстрая скорость переключения. , и простая интеграция. Для улучшения коэффициента усиления и стабильности композитного транзистора в последнее время были предложены два типа структур, которые являются гибридными и монолитными составными транзисторными структурами. [23–25] Однако исследователи больше сосредоточили внимание на усилении и стабильности композитного транзистора, чем на его повреждениях, вызванных вредной электромагнитной волной, поэтому очень важно изучить влияние мощных микроволн на это устройство. . В этой статье двумерная электротермическая модель кремниевого монолитного композитного транзистора впервые создается с помощью симулятора устройства Sentaurus-TCAD. Эффект и механизм повреждения изучаются при подаче сигнала HPM в коллектор (выходной порт) или базу (входной порт) устройства, а эффекты ширины микроволнового импульса приведены в конце этой статьи.Кроме того, мы приводим сравнение результатов моделирования и результатов экспериментов, которое подтверждает правильность работ.

2. Структура и модель 2.1. Структура устройства

Схема структуры составного транзистора, используемого в нашем моделировании, показана на рис. 1. В этой статье в составном транзисторе используются два согласованных биполярных транзистора NPN, то есть T1 и T2 s, в соответствии с подключением той же полярности. и такой же порог мощности. B, C и E представляют его базу, коллектор и эмиттер.База T1 (b 1 ) является базой составного транзистора, эмиттер T2 (e 2 ) является эмиттером составного транзистора, а общий коллектор T1 (c 1 ) и T2 (c 2 ) — коллектор составного транзистора. Эмиттер Т1 (е 1 ) соединен с базой Т2 (b 2 ) через металл. Ток постепенно усиливается через T1 и T2.

На рисунке 2 показано трехмерное изображение монолитной структуры композитного транзистора.- эмиттерная область T1, где методом легирования является гауссовское легирование с поверхностной концентрацией 4 × 10 19 см −3 , P 1 — базовая область T1, где режим легирования представляет собой однородное легирование с концентрацией легирования. 2 × 10 17 см −3 . N-epi — эпитаксиальный слой n-типа толщиной 2,4 мкм с концентрацией легирования 5 × 10 15 см −3 . N + -sub представляет собой коллекторную подложку из кремния n-типа толщиной 24 мкм с концентрацией легирования 5 × 10 19 см −3 .Тепловой электрод установлен в нижней части составного транзистора, где температура решетки поддерживается на уровне 300 К. Верхняя поверхность и границы боковых стенок теплоизолированы от окружающей среды.

2.2. Численная модель

Чтобы исследовать эффекты повреждения и механизм составного усилителя, необходимо вычислить электрическое поведение устройства, используя симулятор устройства для итеративного решения уравнения Пуассона и уравнений непрерывности тока.Из-за высокого напряжения смещения и тока устройства во время подачи микроволнового сигнала необходимо учитывать вклад градиента температуры в плотность тока, уравнение плотности тока электронов и дырок изменяется на

где μ n ( μ p ) — подвижность электронов (дырок), ϕ n ( ϕ p ) — квази-ферми-потенциал электронов (дырок), а P n ( P p ) — абсолютная термоэдс электрона (дырки).

Кроме того, необходимо учитывать влияние внутренней температуры устройства на процесс генерации-рекомбинации носителей заряда. Процесс генерации-рекомбинации носителей заряда учитывает генерацию лавины носителей, SRH и оже-рекомбинацию, на которую влияет концентрация легирования и температура. Модель лавины, названная моделью Ван Оверстратен-де Мана [26] , используется для описания процесса генерации электронно-дырочной пары, а скорость генерации лавины G равна

где ν n ( ν p ) — скорость дрейфа электрона (дырки), α n ( α p ) — скорость ионизации электрона (дырки), α ( E ) и γ даются формулами
где op — энергия оптического фонона, ∇ φ — квази-ферми-потенциал, а a и b — коэффициенты модели по умолчанию.

В этой статье модель сигнала HPM эквивалентна синусоидальному сигналу, математическое выражение выглядит следующим образом:

где U 0 — амплитуда, f — частота, а φ — начальная фаза. Неисправность устройства указывается, когда температура локальной решетки достигает точки плавления кремния при 1688 К. 3. Результаты и обсуждение

Характеристическая кривая ввода-вывода монолитного составного транзистора представлена ​​на рис.3, поэтому рабочая точка покоя постоянного тока установлена ​​на В CEQ = 6 В, I CQ = 0,45 мА, В BEQ = 1,4 В, I BQ = 0,9 мкА , а значения В, CC , R b и R c установлены на 9,0 В, 8,4 МОм и 6,7 кОм соответственно.

3.1. Эффект и механизм повреждения при инжекции выходного порта

Схематическое изображение составного транзистора, работающего в состоянии усиления, показано на рис.4. Сигнал синусоидального напряжения с частотой 1 ГГц и амплитудой 20 В используется для изучения процесса повреждения путем подачи непосредственно в выходной порт устройства. На рис. 5 показано изменение пиковой температуры устройства во времени от 0 до 10 нс. Мы видим, что изменение характеризуется периодическими трендами, и устройство сгорает при подаче непрерывного сигнала. Анализ основан на четвертом цикле этой части. Очевидно, что максимальная температура снижается в положительный полупериод, тогда как в отрицательный полупериод наблюдается тенденция сначала к увеличению, а затем к снижению.В целом, пиковая температура повышается за цикл.

В начале отрицательного полупериода составной транзистор находится в активном режиме работы. Когда абсолютное значение напряжения сигнала увеличивается до 1,25 В, переход база-эмиттер T1 и T2 s смещен в обратном направлении, а переход база-коллектор смещен в прямом направлении. Следует отметить, что напряженность электрического поля ( E ) перехода база-эмиттер T2 выше, чем у T1, потому что падение напряжения в основном происходит на переходе база-эмиттер T2, поэтому пиковое значение E лежит на краю перехода база-эмиттер T2 (см. Рис.6 (а)). Лавинный пробой произойдет около края перехода база-эмиттер T2, когда E достигнет 3,0 × 10 5 В / см, что приведет к увеличению тока обратного смещения и его протеканию к подложке транзистора T2 через n– n + слой. Из рис. 6 (b) мы можем видеть, что в устройстве есть две пиковые плотности тока ( Дж ), одна находится у края перехода база-эмиттер T2, а другая — на n – n + слой Т2, причем последний больше первого.Накопление тепла, вызванное рассеянием мощности, вызывает повышение температуры устройства, а плотность мощности является выражением E и J . Согласно рассеиванию E и J в отрицательном полупериоде, основная точка рассеивания мощности находится вблизи края перехода база-эмиттер T2, что приводит к появлению там пиковой температуры (см. Рис. . 6 (в)). При t = 3,88 нс локальная температура прибора достигает максимального значения до 566 К.Затем напряжение обратного смещения на переходе база-эмиттер T2 уменьшается с уменьшением абсолютного значения напряжения подаваемого сигнала, что приводит к тому, что пиковая температура устройства начинает снижаться в этот период.

В начале положительного полупериода переход база-эмиттер T1 и T2 смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, что означает, что составной транзистор находится в активном режиме работы. . Распределение E показано на рис.7 (а). При увеличении приложенного напряжения сигнала область пространственного заряда перехода база-коллектор T2 будет расширяться до границы эпитаксиального слоя и низкоомной подложки n + , поскольку концентрация легирования в области базы выше, чем эта области коллектора (см. Рис. 7 (b) и Рис. 7 (c)).

Пик электрического поля лежит на границе раздела n – n + из-за эффекта модуляции пространственного заряда. Срыв лавины происходит, когда E достигает 3.0 × 10 5 В / см на слое n – n + эмиттерный ток T2 течет к подложке коллектора через эпитаксиальный слой, при этом максимальная плотность тока находится на краю перехода база – эмиттер слоя T2 и n – n + (см. рис. 8 (а)), в частности, последний меньше первого. Джоулевое тепло, производимое при потреблении энергии, находится в основном в слое n – n + в положительном полупериоде, и тепловое накопление на переходе база – эмиттер T2 в это время уменьшается.Однако значения E и J в положительном полупериоде составляют примерно 2,2 × 10 5 В / см и 2,6 × 10 6 А / см 2 соответственно, тогда как 4,5 × 10 5 В / см и 1 × 10 7 А / см 2 в отрицательном полупериоде, что приводит к тому, что температура на переходе база-эмиттер T2 все еще выше, чем температура на n – n + в положительном полупериоде (см. Рис. 8 (б)).

Из предыдущего анализа можно сделать вывод, что пиковая температура составного транзистора уменьшается в положительный полупериод, в то время как повышение температуры устройства происходит в отрицательный полупериод.При продолжении подачи напряжения сигнала максимальные изменения температуры имеют периодическую тенденцию «понижения-повышения» до тех пор, пока температура в точке повреждения не достигнет точки плавления кремния.

3.2. Эффект повреждения и механизм при инжекции входного порта

В этом разделе исследуется процесс повреждения, когда сигнал синусоидального напряжения с амплитудой 15 В подается непосредственно во входной порт устройства. Схема моделирования представлена ​​на рис. 9. Следующий анализ основан на соотношении между пиковой температурой и временем моделирования в третьем цикле.

В положительный полупериод, когда амплитуда сигнала увеличивается, оба перехода B – E T1 и T2 смещены в прямом направлении, что вызывает прямой ток, протекающий через эти два pn-перехода, и ток растет экспоненциально. В частности, ток концентрируется на краю pn перехода, и величина тока велика (10 7 А / см 2 ). На изменение температуры внутри устройства в основном влияет плотность тока при инжекции входного порта, кроме того, учитывая влияние защитных сопротивлений на T1, плотность тока перехода B – E на T2 больше, чем у T1 (см. Рис. .10 (а)), что приводит к пиковой температуре устройства, возникающей между базой и эмиттером Т2. В отрицательном полупериоде оба B – E-перехода T1 и T2 имеют обратное смещение, существует большой обратный ток (10 6 A / cm 2 ) на краю B – E-перехода. T1 и T2, когда амплитуда обратного напряжения достаточно велика (см. Рис. 10 (b)), следовательно, пиковая температура также увеличивается в отрицательный полупериод.

Как показано на Рис. 11, пиковая температура увеличивается на 404.5 К в положительном полупериоде и только 68,0 К в отрицательном полупериоде. Это связано с тем, что плотность тока в положительном полупериоде больше, чем в отрицательном полупериоде.

На рисунке 12 показано распределение температуры внутри устройства во время горения с входным впрыском. Из рисунка видно, что есть только одна точка повреждения, которая находится между базой и эмиттером T2. Эксперименты по инжекции энергии в кремниевые биполярные малошумящие усилители (МШУ) проводятся путем подачи импульсно-модулированного сигнала на входы МШУ. [20] Результаты эксперимента показывают, что место повреждения находится между базой и эмиттером Т2 (см. Рис. 13). Таким образом, мы делаем вывод, что результаты моделирования в этой статье соответствуют результатам экспериментов, и модель монолитного композитного транзистора может быть использована для анализа эффектов повреждения, вызванных мощной микроволновой ямой.

3.3. Эффекты ширины импульса с впрыском HPM

Чтобы обеспечить хорошее прогнозирование повреждения полупроводникового устройства и руководящее значение для разрушения HPM, зависимость порога мощности повреждения, P , и порога энергии повреждения, E , от импульса -ширина под выход и под впрыск получаются.В этой статье ширина импульса ( τ ) определяется как длительность введенного сигнала до того, как устройство сгорит, а порог мощности повреждения и порог энергии повреждения как средняя мощность и полная поглощенная энергия, соответственно.

Варианты P и E с τ при инжекции выходного порта показаны на рис.14, которые демонстрируют, что порог мощности повреждения устройства уменьшается с увеличением длительности импульса, в то время как порог энергии урона увеличивается.Зависимость ширины импульса от порога мощности повреждения и порога энергии повреждения подчиняется следующим формулам:

коэффициенты корреляции уравнения. (7) и уравнение. (8) равны 0,98 и 0,97 соответственно, что показывает высокую степень между шириной импульса и порогом мощности повреждения и порогом энергии повреждения, соответственно.

Зависимость мощности повреждения и энергии повреждения от длительности импульса с входной инжекцией показана на рис.15. Следующие два выражения получаются с помощью программного обеспечения для построения кривой:

коэффициенты корреляции уравнения. (9) и уравнение. (10) равны 0,97 и 0,98 соответственно. Полученные формулы соответствуют эмпирической формуле для короткого электромагнитного импульса из экспериментальных результатов Вунша, Белла и Таски. [27,28]

Сравнивая рис. 14 с рис. 15, можно сделать вывод, что для разрушения устройства требуются меньшие значения мощности повреждения и энергии повреждения при входной инжекции, чем при выходной инжекции для смешанная ширина импульса.Другими словами, входной впрыск с большей вероятностью повредит устройство, чем выходной. Вывод в этой статье согласуется с предыдущей работой. [15,17] Следовательно, уравнения пороговых значений мощности и энергии, полученные в этой статье, могут очень хорошо предсказать повреждение составного транзистора.

4. Заключение

В этой статье двумерная модель кремниевой NPN-монолитной композитной транзисторной структуры создается сначала с помощью симулятора полупроводникового устройства.Подробное исследование процесса и механизма повреждения, вызванного HPM, выполняется путем анализа распределения электрического поля, плотности тока и температуры устройства. Анализ показывает, что процессы повышения температуры возникают в отрицательном полупериоде, потому что как максимальное электрическое поле, так и максимальная плотность тока лежат на краю перехода B – E T2, когда HPM вводится из выходного порта, в то время как температура снижается. в положительный полупериод. Под выходной инжекцией имеется только одна горячая точка, которая находится рядом с краем B – E-перехода T2, в то время как для инжекции из входного порта точка повреждения существует между базой и эмиттером T2.По сравнению с инъекцией в выходной порт, инъекция в входной порт легче разрушить устройство. Используя программное обеспечение для подгонки, можно получить зависимость энергии повреждения E и мощности повреждения P от ширины импульса соответственно. Формулы подгонки показывают, что порог энергии разрушения растет, а порог мощности падает с увеличением длительности импульса. Кроме того, результаты моделирования в этой статье хорошо совпадают с результатами экспериментов.Результаты этой статьи полезны для исследования механизма и защиты от мощных микроволновых повреждений полупроводниковых устройств и схем.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Чувствительный и селективный поликристаллический кремниевый поликристаллический кремниевый композит, модифицированный магнитным графеновым композитом, полевой транзистор для диагностики рака мочевого пузыря

.2015 15 апреля; 66: 198-207. DOI: 10.1016 / j.bios.2014.11.019. Epub 2014 18 ноября.

Принадлежности Расширять

Принадлежности

  • 1 Департамент химической инженерии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Кафедра биохимии и молекулярной клеточной биологии, Школа медицины, Медицинский колледж, Тайбэйский медицинский университет, Тайбэй 11031, Тайвань, Китай.
  • 2 Отделение биомедицинских наук, Медицинский колледж, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.
  • 3 Исследовательские лаборатории электроники и оптоэлектроники, Научно-исследовательский институт промышленных технологий, Синьчжу 310, Тайвань, Китай.
  • 4 Национальные лаборатории наноустройств, Научный парк Синьчжу, Синьчжу 31040, Тайвань, Китай.
  • 5 Кафедра химии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Исследовательский центр зеленых технологий, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.
  • 6 Отделение урологии, Медицинский колледж Университета Чанг Гунг и Мемориальная больница, Таоюань 33305, Тайвань, Китай.
  • 7 Кафедра химии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Исследовательский центр зеленых технологий, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.Электронный адрес: [email protected]

Элемент в буфере обмена

Hsiao-Chien Chen et al. Biosens Bioelectron. .

Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

.2015 15 апреля; 66: 198-207. DOI: 10.1016 / j.bios.2014.11.019. Epub 2014 18 ноября.

Принадлежности

  • 1 Департамент химической инженерии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Кафедра биохимии и молекулярной клеточной биологии, Школа медицины, Медицинский колледж, Тайбэйский медицинский университет, Тайбэй 11031, Тайвань, Китай.
  • 2 Отделение биомедицинских наук, Медицинский колледж, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.
  • 3 Исследовательские лаборатории электроники и оптоэлектроники, Научно-исследовательский институт промышленных технологий, Синьчжу 310, Тайвань, Китай.
  • 4 Национальные лаборатории наноустройств, Научный парк Синьчжу, Синьчжу 31040, Тайвань, Китай.
  • 5 Кафедра химии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Исследовательский центр зеленых технологий, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.
  • 6 Отделение урологии, Медицинский колледж Университета Чанг Гунг и Мемориальная больница, Таоюань 33305, Тайвань, Китай.
  • 7 Кафедра химии и материаловедения, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская Республика; Biosensor Group, Исследовательский центр биомедицинской инженерии, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китайская республика; Исследовательский центр зеленых технологий, Университет Чанг Гунг, Таоюань 33302, Тайвань, Китай.Электронный адрес: [email protected]

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Опции CiteDisplay

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

В этом исследовании мы описываем количественный анализ мочи белка аполипопротеина A II (белок APOA2), биомаркера для диагностики рака мочевого пузыря, с использованием поликристаллического кремниевого полевого транзистора n-типа (поли-SiNW-FET).Модификация поли-SiNW-FET магнитным графеном с длинноцепочечными кислотными группами (MGLA), синтезированная посредством ацилирования Фриделя-Крафтса, сравнивалась с модификацией, полученной с использованием короткоцепочечных кислотных групп (MGSA). По сравнению с MGSA, MGLA показал более высокую степень иммобилизации и биоактивность по отношению к антителу против APOA2 (Ab) из-за его более низких стерических препятствий. Кроме того, магнитные свойства сделали возможным быстрое разделение и очистку во время иммобилизации Ab, в конечном итоге сохранив его биоактивность. Ab-MGLA / поли-SiNW-FET показал линейную зависимость относительного отклика от логарифмической концентрации в диапазоне от 19.5 пгмл (-1) и 1,95 мкгмл (-1) с пределом обнаружения (LOD) 6,7 пгмл (-1). Дополнительная стадия промывки перед измерением, направленная на исключение мешающих биокомпонентов, обеспечила надежность анализа. Мы пришли к выводу, что наш биосенсор эффективно различает средние значения концентрации белка APOA2 в моче между пациентами с раком мочевого пузыря (29-344 нгмл (-1)) и пациентами с грыжей (0,425-9,47 нгмл (-1)).

Ключевые слова: Белок аполипопротеин А II; Биосенсор; Рак мочевого пузыря; FET; Графен.

Copyright © 2014 Elsevier B.V.Все права защищены.

Похожие статьи

  • Поликристаллический кремниевый полевой транзистор, модифицированный магнитным композитом, для обнаружения фактора роста эндотелия сосудов и диагностики рака.

    Chen HC, Qiu JT, Yang FL, Liu YC, Chen MC, Tsai RY, Yang HW, Lin CY, Lin CC, Wu TS, Tu YM, Xiao MC, Ho CH, Huang CC, Lai CS, Hua MY.Чен Х.С. и др. Anal Chem. 2014 7 октября; 86 (19): 9443-50. DOI: 10.1021 / ac5001898. Epub 2014 15 сентября. Anal Chem. 2014 г. PMID: 24641163

  • Вариации поверхностного потенциала транзистора с кремниевой нанопроволокой при биомолекулярной модификации и детектировании.

    Цай СС, Чианг П.Л., Сун СиДжей, Линь Т.В., Цай М.Х., Чанг Ю.К., Чен Ю.Т. Цай СС и др. Нанотехнологии. 2011 1 апреля; 22 (13): 135503.DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 22/13/135503. Epub 2011 22 февраля. Нанотехнологии. 2011 г. PMID: 21343647

  • Сверхчувствительное обнаружение вирусов на основе нанопроволочных транзисторов с обратимой функционализацией поверхности.

    Чианг П.Л., Чжоу ТК, Ву ТХ, Ли СС, Ляо CD, Лин Дж.Й., Цай М.Х., Цай СС, Сунь СиДжей, Ван СН, Фанг Дж.М., Чен Ю.Т. Чианг П.Л. и др. Chem Asian J. 2012 сентябрь; 7 (9): 2073-9.DOI: 10.1002 / asia.201200222. Epub 2012 19 июня. Chem Asian J. 2012. PMID: 22715151

  • Кремниевые нанопроволоки как полевые преобразователи для разработки биосенсоров: обзор.

    Noor MO, Krull UJ. Noor MO, et al. Анальный Чим Акта. 2014 12 мая; 825: 1-25. DOI: 10.1016 / j.aca.2014.03.016. Epub 2014 15 марта. Анальный Чим Акта. 2014 г. PMID: 24767146 Обзор.

  • Биосенсоры на основе полевых транзисторов с кремниевыми нанопроводами: от чувствительных до сверхчувствительных.

    Шен М.Ю., Ли Б.Р., Ли Ю.К. Шен М.Ю. и др. Biosens Bioelectron. 2014 15 октября; 60: 101-11. DOI: 10.1016 / j.bios.2014.03.057. Epub 2014 15 апреля. Biosens Bioelectron. 2014 г. PMID: 24787124 Обзор.

Процитировано

8 статей
  • Использование сенсоров на основе кремниевых нанопроволок для ранней диагностики рака.

    Иванов Ю.Д., Романова Т.С., Мальсагова К.А., Плешакова Т.О., Арчаков А.И. Иванов Ю.Д., и др. Молекулы. 2021 18 июня; 26 (12): 3734. DOI: 10,3390 / молекулы26123734. Молекулы. 2021 г. PMID: 34207397 Бесплатная статья PMC. Обзор.

  • Биосенсинг на основе полевых транзисторов (FET): последние достижения и проблемы.

    Садигбаян Д., Гасанзаде М., Гафар-Заде Э.Садигбаян Д. и др. Trends Analyt Chem. 2020 Декабрь; 133: 116067. DOI: 10.1016 / j.trac.2020.116067. Epub 2020 9 октября. Trends Analyt Chem. 2020. PMID: 33052154 Бесплатная статья PMC. Обзор.

  • Профилирование биоинформатики позволяет выявить семь связанных с иммунитетом сигнатур риска гепатоцеллюлярной карциномы.

    Сюэ Ф, Ян Л., Дай Б., Сюэ Х, Чжан Л., Ге Р, Сунь Ю. Сюэ Ф и др.PeerJ. 2020 26 мая; 8: e8301. DOI: 10.7717 / peerj.8301. Электронная коллекция 2020. PeerJ. 2020. PMID: 32518711 Бесплатная статья PMC.

  • Функциональные магнитно-графеновые композиты для биосенсоров.

    Ли Ф, Хуанг И, Хуан К., Линь Дж, Хуан П. Ли Ф. и др. Int J Mol Sci. 2020 8 января; 21 (2): 390. DOI: 10.3390 / ijms21020390. Int J Mol Sci. 2020. PMID: 31936264 Бесплатная статья PMC.Обзор.

  • Обзор технологии полевых транзисторов на основе наноматериалов для обнаружения биомаркеров.

    Сидморади Л., Ахмади А., Нортон М.Л., Омидфар К. Syedmoradi L, et al. Микрохим Акта. 1 ноября 2019 г .; 186 (11): 739. DOI: 10.1007 / s00604-019-3850-6. Микрохим Акта. 2019. PMID: 31677098 Обзор.

Типы публикаций

  • Поддержка исследований, Non-U.С. Правительство

Условия MeSH

  • Аполипопротеин A-II / моча *
  • Методы / методы биосенсинга *
  • Новообразования / патологии мочевого пузыря
  • Новообразования мочевого пузыря / моча *

LinkOut — дополнительные ресурсы

  • Источники полных текстов

  • Источники другой литературы

  • Медицина

  • Разное

[Икс]

цитировать

Копировать

Формат: AMA APA ГНД NLM

Использование композитных транзисторов с комплементарной симметрией в точном линейном усилении мощности

% PDF-1.7 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток 2018-08-15T00: 24: 14-07: 002018-08-15T00: 24: 14-07: 002018-08-15T00: 24: 14-07: 00Appligent AppendPDF Pro 5.5uuid: b2927187-a95d-11b2-0a00- 782dad000000uuid: b2929adf-a95d-11b2-0a00-b0c24449ff7fapplication / pdf

  • Использование композитных транзисторов с комплементарной симметрией для точного линейного усиления мощности
  • Prince 9.0 rev 5 (www.princexml.com) AppendPDF Pro 5.5 Ядро Linux 2.6 64-битная 2 октября 2014 Библиотека 10.1.0 конечный поток эндобдж 5 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 45 0 объект > эндобдж 46 0 объект > эндобдж 47 0 объект > эндобдж 48 0 объект > эндобдж 57 0 объект [59 0 R 60 0 R] эндобдж 58 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> эндобдж 72 0 объект > / Filter / JBIG2Decode / Height 3411 / Interpolate true / Length 7931 / Name / im71 / Subtype / Image / Type / XObject / Width 2447 >> stream

    Схема «Классификация» транзистора | Основы электроники

    Классифицируется по форме.

    Размер и форма транзистора определяются потребляемой мощностью и способом монтажа. Транзисторы можно разделить на выводы с выводами и на поверхность.

    Типовые формы транзисторов

    (На рисунках показаны виды в разрезе)

    Миниатюрный транзистор поверхностного монтажа Транзистор вставного типа

    Классификация по конструкции

    Транзисторы

    обычно делятся на два основных типа в зависимости от их конструкции.Эти два типа представляют собой транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).

    Транзисторы биполярные

    Слово «биполярный» состоит из двух корневых слов. Би (что означает «два») и полярный (что означает «противоположности»). Биполярный транзистор — это транзистор, в котором ток через транзистор передается через отверстия (положительная полярность) и электроны (отрицательная полярность). Транзисторы с биполярным переходом были первым типом транзисторов, которые начали массово производиться в 1947 году в виде транзисторов с точечным контактом (Bell Labs).Они представляют собой комбинацию двух переходных диодов и образованы либо из тонкого слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа (транзистор n – p – n), либо из тонкого слоя полупроводника n-типа, зажатого между два полупроводника p-типа (транзистор ap – n – p).

    полевые транзисторы

    Полевые транзисторы (полевые транзисторы) обычно можно разделить на три различных типа; полевые транзисторы переходного типа, полевые транзисторы типа MOS (металл-оксид-полупроводник) и полевые транзисторы типа MES (металл-полупроводник). Полевые транзисторы переходного типа в основном используются в аналоговых схемах, например, в звуковом оборудовании, а полевые транзисторы типа МОП используются в основном в цифровых ИС, таких как те, которые используются в микрокомпьютерах.Полевые транзисторы типа MES используются для усиления микроволн, например, в приемопередатчиках спутникового вещания.

    Классификация по допустимой мощности

    Существует две широких классификации транзисторов в зависимости от их допустимой мощности: малосигнальные транзисторы и силовые транзисторы. Эти классификации основаны в первую очередь на максимальном номинальном значении рассеиваемой мощности коллектора Pc.

    Малосигнальные транзисторы

    Это транзисторы, у которых максимальный ток коллектора (IC (max)) составляет около 500 мА или меньше, а максимальная рассеиваемая мощность коллектора (Pc (max)) меньше 1 Вт.Эти транзисторы называются малосигнальными транзисторами, чтобы отличать их от силовых транзисторов, и имеют то свойство, что они, как правило, представляют собой формованные из эпоксидной смолы.

    Силовые транзисторы

    Если транзистор имеет Pc 1 Вт или более, его обычно классифицируют как силовой транзистор. По сравнению с малосигнальными транзисторами силовые транзисторы имеют больший максимальный ток коллектора, максимальную рассеиваемую мощность коллектора, а также имеют больший размер для удовлетворения тепловыделения. Обычно они экранированы металлом или имеют конструкцию с теплоизлучающими ребрами.

    В Японии транзистор называют «камнем». Слово «транзистор» — это комбинация передачи и резистора. Поскольку транзистор сделан из кремния, который является основным элементом всех горных пород и камней на Земле, многие японские дизайнеры называют транзистор камнем.

    Классификация по типу интеграции

    Помимо транзисторов дискретного типа, ROHM также производит композитные транзисторы. Они объединяют несколько транзисторов вместе, чтобы удовлетворить различные потребности пользователей.К ним относятся цифровые транзисторы со встроенными резисторами, массивы транзисторов, состоящие из нескольких транзисторов в одном корпусе, и транзисторные блоки со встроенными простыми схемами.

    Дискретные транзисторы

    Это транзисторы в индивидуальной упаковке. Они становятся менее распространенными, поскольку подавляющее большинство транзисторов в настоящее время производится в интегральных схемах вместе с диодами, резисторами, конденсаторами и другими электронными компонентами для создания законченных электронных схем.

    Транзисторы композитные

    Составной транзистор (иногда известный как транзистор Дарлингтона) представляет собой комбинацию двух или более транзисторов (обычно транзисторов с биполярным переходом) с целью увеличения коэффициента усиления по току.

    * Цифровые транзисторы

    Цифровой транзистор — это биполярный транзистор со встроенными резисторами. Это стандартные транзисторы, которые используются в схемотехнике.

    Транзистор

    Радиометрический датчик частичных разрядов малой мощности с композитным интегратором с сбросом транзисторов — Отпечаток пальца — Университет Стратклайда

    Радиометрический датчик частичных разрядов малой мощности с композитным интегратором с сбросом транзисторов — отпечаток пальца — Стратклайдский университет
    • Сортировать по
    • Масса
    • По алфавиту

    Машиностроение и материаловедение

    • Частичные разряды 100%
    • Транзисторы 75%
    • Композитные материалы 52%
    • Датчики 46%
    • Отбор проб 37%
    • Мониторинг 30%
    • Разница во времени прибытия 22%
    • Изоляция 15%
    • Масштабируемость 14%
    • Беспроводные сенсорные сети 14%
    • Расходы 13%
    • Здоровье 13%
    • Использование электроэнергии 13%
    • Пропускная способность 11%
    • Электрический потенциал 9%
    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.