Транзистор с буквой б. Транзистор с буквой Б: характеристики, применение и особенности

Что означает буква Б в маркировке транзистора. Какие преимущества имеют транзисторы с буквой Б. Как правильно выбрать и применять транзисторы с буквой Б в схемах. На что обратить внимание при работе с такими транзисторами.

Что означает буква Б в маркировке транзистора

Буква Б в маркировке транзистора обычно обозначает определенную группу параметров или характеристик данного типа транзистора. Как правило, это указывает на то, что транзистор относится ко второй группе по коэффициенту усиления или другим параметрам в рамках одной серии.

Например, в популярной серии КТ315 существуют следующие разновидности:

• КТ315А
• КТ315Б
• КТ315В
• КТ315Г
• и т.д.

Здесь буква Б означает, что данный транзистор имеет коэффициент усиления по току в пределах 50-350 при токе коллектора 2 мА. Для сравнения, у КТ315А этот параметр составляет 20-70.

Основные характеристики транзисторов с буквой Б

Транзисторы с буквой Б обычно обладают следующими ключевыми характеристиками:

• Повышенный коэффициент усиления по току по сравнению с базовой моделью
• Меньший разброс параметров
• Улучшенные частотные свойства
• Несколько более высокая цена

При этом важно понимать, что конкретные значения параметров могут существенно отличаться для разных серий и типов транзисторов. Всегда необходимо сверяться с официальной документацией производителя.

Преимущества применения транзисторов с буквой Б

Использование транзисторов с буквой Б в маркировке дает разработчикам электронных устройств ряд преимуществ:

1. Более высокий коэффициент усиления позволяет упростить схемотехнику усилительных каскадов
2. Меньший разброс параметров обеспечивает лучшую повторяемость характеристик изделий
3. Улучшенные частотные свойства расширяют область применения транзисторов
4. Повышенная надежность и стабильность работы схем

Благодаря этим преимуществам транзисторы с буквой Б часто выбирают для ответственных узлов аппаратуры, где требуются повышенная стабильность параметров и надежность.

Особенности применения транзисторов с буквой Б

При использовании транзисторов с буквой Б в маркировке следует учитывать некоторые особенности:

• Более высокая стоимость по сравнению с базовыми моделями
• Необходимость корректировки режимов работы схемы из-за повышенного коэффициента усиления
• Возможное снижение устойчивости усилительных каскадов
• Повышенные требования к качеству монтажа и отвода тепла

При правильном учете этих факторов транзисторы с буквой Б позволяют создавать более качественные и надежные электронные устройства.

Как правильно выбрать транзистор с буквой Б

При выборе транзистора с буквой Б для конкретного применения рекомендуется следовать следующему алгоритму:

1. Определить требуемые ключевые параметры (рабочие напряжения, токи, частоты и т.д.)
2. Выбрать подходящую серию транзисторов
3. Сравнить характеристики базовой модели и версии с буквой Б
4. Оценить целесообразность применения более дорогой версии
5. Проверить наличие и доступность выбранного транзистора
6. При необходимости провести практические испытания образцов

Тщательный подход к выбору позволит максимально эффективно использовать преимущества транзисторов с буквой Б в маркировке.

Типичные области применения транзисторов с буквой Б

Транзисторы с буквой Б часто используются в следующих сферах:

• Высококачественная аудиотехника
• Измерительные приборы
• Телекоммуникационное оборудование
• Медицинская электроника
• Промышленная автоматика
• Военная и аэрокосмическая техника

В этих областях повышенная стабильность параметров и надежность транзисторов с буквой Б оказываются особенно востребованными.

Заменяемость транзисторов с буквой Б

При необходимости замены транзистора с буквой Б нужно учитывать следующие моменты:

• Прямая замена на базовую модель без буквы Б может потребовать корректировки схемы
• Замена на аналог другого производителя допустима при совпадении ключевых параметров
• В некоторых случаях возможна замена на более современные типы транзисторов

Какой вариант замены выбрать? Это зависит от конкретной ситуации и требований к устройству. В ответственных узлах рекомендуется использовать только полные аналоги.

Советы по работе с транзисторами с буквой Б

Чтобы максимально эффективно использовать транзисторы с буквой Б, следуйте этим рекомендациям:

1. Всегда сверяйтесь с актуальной документацией производителя
2. Учитывайте повышенный коэффициент усиления при расчете схем
3. Обеспечивайте хороший теплоотвод
4. Используйте качественные компоненты обвязки
5. При необходимости применяйте цепи коррекции и стабилизации режимов
6. Периодически проверяйте параметры транзисторов в процессе эксплуатации

Следование этим советам поможет создавать надежные и стабильно работающие устройства на основе транзисторов с буквой Б в маркировке.

Транзистор КТ315А (Б, В, Г, Д, Е, Ж, И)

Транзистор КТ315А (Б, В, Г, Д, Е, Ж, И)
Справочник содержания драгоценных металлов в радиодеталях основанный на справочных данных различных организаций занимающихся переработкой лома радиодеталей, паспортах устройств, формулярах и других открытых источников. Стоит отметить, что реальное содержание может отличатся на 20-30% в меньшую сторону.

Радиодетали могут содержать золото, серебро, платину и МПГ (Металлы платиновой группы, Платиновая группа, Платиновые металлы, Платиноиды, ЭПГ)

Содержание драгоценных металлов в транзисторе: КТ315А (Б, В, Г, Д, Е, Ж, И)

Золото: 0.0006
Серебро: 0
Платина: 0
МПГ: 0
По данным: Справочник по драгоценным металлам ПРИКАЗ №70

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Типы транзисторов

Существует два основных типа транзисторов: биполярные и полевые.

1. Биполярные транзисторы. Они являются, вероятно, более распространенным типом (именно о них, например, шла речь в предыдущих разделах этой главы). В базу такого транзистора подается небольшой ток, а он, в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером.
2. Полевые транзисторы. Имеют три вывода, но они называются затвор (вместо базы у биполярного), сток (вместо коллектора) и исток (вместо эмиттера). Аналогично воздействие на затвор транзистора (но на этот раз не тока, а напряжения) управляет током между стоком и истоком. Полевые транзисторы также имеют разную полярность: они бывают N-канальные (аналог NPN-биполярного транзистора) и Р-канальные (аналог PNP).

Маркировка транзисторов СССР

Обозначение транзисторов до 1964 года
Первый элемент обозначения — буква П, означающая, что данная деталь и является, собственно, транзистором. Биполярные транзисторы в герметичном корпусе обозначались двумя буквами — МП, буква М означала модернизацию. Второй элемент обозначения — одно, двух или трехзначное число, которое определяет порядковый номер разработки и подкласс транзистора, по роду полупроводникового материала, значениям допустимой рассеиваемой мощности и граничной(или предельной) частоты.
От 1 до 99 — германиевые маломощные низкочастотные транзисторы.
От 101 до 199 — кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы.
От 201 до 299 — германиевые мощные низкочастотные транзисторы.
От 301 до 399 — кремниевые мощные низкочастотные транзисторы.
От 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы.
От 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы.
От 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.
От 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Обозначение транзисторов после 1964 года

Первый символ необходим для обозначения типа используемого материала
Буква Г или цифра 1 — германий.
Буква К или цифра 2 — кремний.
Буква А или цифра 3 — арсенид галлия.

Второй символ обозначает тип транзистора
П — полевой транзистор
Т — биполярный транзистор

Третий символ необходим для обозначения мощности и граничной частоты
1 — транзисторы маломощные(до 0,3 ватт) низкочастотные(до 3 МГц).
2 — транзисторы маломощные(до 0,3 ватт) средней частоты(до 30 МГц).
3 — транзисторы маломощные(до 0,3 ватт) высокочастотные.
4 — транзисторы средней мощности(до 1,5 ватт), низкочастотные(до 3 МГц).
5 — транзисторы средней мощности(до 1,5 ватт),средней частоты(до 30 МГц).
6 — транзисторы средней мощности(до 1,5 ватт),высокочастотные и СВЧ.
7 — транзисторы мощные(свыше 1,5 ватт), низкочастотные(до 3 МГц).
8 — транзисторы мощные(свыше 1,5 ватт), средней частоты(до 30 МГц).
9 — транзисторы мощные(свыше 1,5 ватт), высокочастотные и СВЧ.

Четвертый и пятый элементы обозначения — определяют порядковый номер разработки.

Изменения в маркировке вступившие в силу в 1978 году. Изменения коснулись обозначения функциональных возможностей — третьего элемента.

Для биполярных транзисторов:
1 — транзистор с рассеиваемой мощностью до 1 ватта и граничной частотой до 30 МГц.
2 — транзистор с рассеиваемой мощностью до 1 ватта и граничной частотой до 300 МГц.
4 — транзистор с рассеиваемой мощностью до 1 ватта и граничной частотой более 300 МГц.
7 — транзистор с рассеиваемой мощностью более 1 ватта и граничной частотой до 30 МГц.
8 — транзистор с рассеиваемой мощностью более 1 ватта и граничной частотой до 300 МГц.
9 — транзистор с рассеиваемой мощностью более 1 ватта и граничной частотой свыше 300 МГц.

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

КТ368А, КТ368Б, КТ368АМ, КТ368БМ, 2Т368А, 2Т368Б

Поиск по сайту

Транзистор КТ368 — усилительный, сверхвысокочастотный, структуры n-p-n, кремниевый. КТ368А, КТ368АМ, 2Т368А нормируются по коэффициенту шума на частоте 60 МГц. Соответственно транзисторы с буквой Б имеют ненормированный коэффициент шума. Применяются во всех каскадах усилителей высокой частоты. КТ368А, КТ368Б и КТ368АМ, КТ368БМ выпускаются в металлостеклянном корпусе, на котором и указывается их тип. КТ368АМ и КТ368БМ имеют пластмассовый корпус и маркируются условным кодом: АМ — две точки, БМ — одна. Оба корпуса имеют гибкие выводы. Металлостеклянный весит 1 г, пластмассовый — не более 0.5 г. КТ368 цоколевка Цоколевка КТ368 показана на рисунке. Электрические параметры транзистора КТ368 • Коэффициент передачи тока (статический). Схема с общим эмиттером. Uкб = 1 В, Iэ = 10 мА:  КТ368А, КТ368Б:   Т = +25°C 50 ÷ 300   Т = −60°C 25 ÷ 300   Т = +125°C 50 ÷ 600  КТ368АМ, КТ368БМ:   Т = +25°C 50 ÷ 450   Т = −60°C 25 ÷ 450   Т = +100°C 50 ÷ 600  2Т368А, 2Т368Б:   Т = +25°C 50 ÷ 300   Т = −60°C 25 ÷ 300   Т = +125°C 40 ÷ 500 • Граничная частота коэффициента передачи тока Uкб = 5 В, Iэ = 10 мА, не менее: 900 МГц • Коэффициент шума при Iэ = 10 мА, Uкб = 5 В, f = 60 МГц для КТ368А, КТ368АМ, 2Т368А, не более: 3.3 дБ • Граничное напряжение при Iэ = 10 мА, не менее: 15 В • Ток коллектора (обратный) при Uкб = 15 В, не более: T = +25°C 0.5 мкА T = +125°C 2Т368А, 2Т368Б 5 мкА • Ток эмиттера (обратный) при Uэб = 4 В, не более: 1 мкА • Ёмкость коллекторного перехода при Uкб = 5 В, не более: 1.7 пФ • Ёмкость эмиттерного перехода при Uэб = 1 В для 2Т368А, 2Т368Б, не более 3 пФ при Uэб = 4 В для КТ368А, КТ368Б, КТ368АМ, КТ368БМ, не более   3 пФ • Ёмкость конструктивная КТ368А, КТ368Б, 2Т368А, 2Т368Б: между корпусом и выводом эмиттера 0.45 пФ между корпусом и выводом коллектора 0.6 пФ между корпусом и выводом базы 0.4 пФ между выводами эмиттера и коллектора 0.08 пФ между выводами базы и коллектора 0.15 пФ • Индуктивность выводов базы и эмиттера при l=3 мм для КТ368А, КТ368Б, 2Т368А, 2Т368Б: 4.5 нГн Предельные эксплуатационные характеристики транзисторов КТ368 • Напряжение К-Б (постоянное) 15 В • Напряжение К-Э (постоянное) при Rбэ ≤ 3 кОм 15 В • Постоянное напряжение Э-Б 4 В • Напряжение коллектор-база (импульсное) при tи ≤ 0.5 мс, Q ≥ 2 20 В • Напряжение К-Э (импульсное) при Rбэ ≤ 3 кОм, tи ≤ 0.5 мс, Q ≥ 2    20 В • Ток эмиттера и коллектора (постоянный) 30 мА • Импульсный ток эмиттера и коллектора при tи ≤ 0.5 мс, Q ≥ 2 60 мА • Рассеиваемая мощность коллектора (постоянная):  КТ368А, КТ368Б:   T ≤ +65°C 225 мВт   T = +125°C 60 мВт  КТ368АМ, КТ368БМ:   T ≤ +65°C 225 мВт   T = +100°C 100 мВт  2Т368А, 2Т368Б:   T ≤ +65°C, P ≥ 65 Па 225 мВт   T ≤ +65°C, P = 665 Па 225 мВт   T = +125°C 60 мВт • Температура p-n перехода +150°C • Рабочая температура (окружающей среды)  КТ368А, КТ368Б, 2Т368А, 2Т368Б −60°…+125°C  КТ368АМ, КТ368БМ −60°…+100°C При температуре от +65°C до +125°C (для КТ368АМ, КТ368БМ до +100°C) допустимое значение рассеиваемой мощности снижается линейно.

Активная область — транзистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Активная область — транзистор

Cтраница 1

Активная область транзистора дополняется элементами, описывающими пассивные и периферийные области транзистора. Периферийная область дополняет схему емкостью СПР-На рис. 3 пассивная и периферийная области обозначены Я и Пр соответственно.  [2]

Область 1 — активная область транзистора под эмиттером — моделируется двумерной распределенной цепью, состоящей из транзисторов и резисторов.  [4]

Действительно, все активные области транзистора расположены в слое 5 — 10 мкм от поверхности. Но по соображениям механической прочности невозможно работать с кристаллами тоньше 100 мкм. Поэтому сопротивление толщи кремния, превышающее 5 — 10 мкм, является паразитным. Выбор величины удельного сопротивления исходного материала основывается на достижении требуемой величины пробивного напряжения, а также допустимой емкости коллекторного перехода.  [5]

Таким образом, в активной области транзисторов обеспечиваются благоприятные условия работы обратной связи и переключение происходит достаточно быстро. Шунтирование емкостью активного сопротивления в цепи базы транзистора 2 опять-таки преследует цель ускорить заряд диффузионной емкости. В результате процессы перекидывания схемы происходят при большем действующем напряжении U, чем это было бы при отсутствии такой емкости.  [7]

В статье [1] решена задача расчета гармонических составляющих токов транзистора при кусочно-линейной аппроксимации статических характеристик и в предположении о постоянстве критической частоты по малосигнальной крутизне / 5 и сопротивления базы г5 в активной области транзистора.  [8]

Самовозбуждающиеся схемы с пассивной синхронизацией третьего или четвертого вида ( рис. 9 — 6, в, г) также не имеют потерь, обусловленных перекрытием, поскольку реверс полярности сигнала управления транзисторами начинается только после входа в активную область транзистора, начинающего закрываться.  [9]

На рис. 3 а и б показаны поперечные сечения исследуемых транзисторов ГТ311 и ГТ313 соответственно. На эскизах буквой А обозначена активная область транзистора.  [11]

Как видно на рис. 3.9, структура транзисторов реальных БИС отличается от схематичного изображения транзистора на рис. 3.8. Это обусловлено планарной технологией их изготовления, а также применением методов эпитаксии, диффузии и ионной имплантации. Участок, выделенный пунктиром на рис. 3.9, соответствует активной области транзистора, изображенного на рис. 3.8. Остальные участки структуры являются паразитными элементами транзистора.  [13]

Одноэлектронный транзистор, предложенный К. К.Лихаревым и Д.В.Авериным, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование отдельных электронов контролируется кулоновской блокадой, которая управляется потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной между двумя прослойками тонкого диэлектрика. В перспективе такая структура может изменять свое состояние ( 0 или 1) под действием одного электрона.  [14]

В полевом режиме быстродействие ключа определяется временем перезаряда межэлектродных емкостей, и прежде всего входной емкости затвор-исток CGS и переходной емкости затвор-сток CGD — Емкость CGS включает в себя емкость между диффузионными областями управляющего р-п-перехода и емкость между металлизированными дорожками истока и затвора. Емкость Сао связана прежде всего с обедненной областью и прямо пропорциональна площади активной области транзистора и обратно пропорциональна ширине области пространственного заряда сток-исток. Обе емкости уменьшаются с ростом стокового напряжения.  [15]

Страницы:      1

Дискретные силовые MOSFET/IGBT-ключи c выводом Кельвина

Введение

Современные достижения в технологии производства силовых IGBT/MOSFET (далее на примере IGBT-транзисторов) существенно снизили потери переключения. Эти достижения связаны с изменениями в структуре полупроводникового кристалла. На рис. 1 приведено сравнение двух составляющих потерь переключения в силовых IGBT, выпускаемых Infineon, в зависимости от технологий изготовления.

Рис. 1. Потери переключения силового IGBT-транзистора 50 А в зависимости от технологии изготовления и типа корпуса

Потери переключения были измерены в стандартной схеме, в качестве испытуемых использовались образцы транзисторов, изготовленных по разным технологиям с одинаковыми номинальными токами. На рис. 1 заметно, насколько существенно снизились потери выключения (E_off) за 4 поколения транзисторов. Это было достигнуто за счет существенного уменьшения такой характеристики транзистора, как время спада тока коллектора при выключении, то есть практически полного устранения так называемого «хвоста» тока коллектора, характерного для IGBT-транзистора. В то же время видно, что вторая составляющая — потери включения (E_on) — за рассматриваемый период практически не изменилась. Это обусловлено поведением IGBT-транзистора при включении, которое главным образом определяется встроенным антипараллельным диодом и величиной его заряда обратного восстановления. Действительно, значение данного заряда имеет тенденцию к увеличению при более быстрой технологии изготовления кристалла IGBT-ключа. Таким образом, с развитием рассматриваемых технологий потери включения IGBT-транзистора только увеличивались, что и отражает рис. 1.

Для существенного снижения подобных потерь был разработан новый 4-выводный корпус ТО-247-4, в котором в настоящее время выпущено новое семейство силовых IGBT-транзисторов TRENCHSTOP5 [1, 2]. Корпус ТО-247-4 содержит дополнительный вывод эмиттера (истока для MOSFET-транзистора), предназначенный для подсоединения драйвера управления силовым транзистором. Этот принцип уже успешно использован в MOSFET-транзисторах, выполненных по новой технологии CoolMOS C7 [3].

Применение дополнительного вывода Кельвина для эмиттера повышает скорость переключения транзистора. Следовательно, уменьшаются и потери переключения (обе составляющие), даже если используется тот же самый встроенный обратный диод. Более того, вследствие снижения потерь и повышения кпд ключа уменьшается температура перехода кристалла.

 

Эмиттерный вывод Кельвина

В стандартных силовых транзисторных корпусах для монтажа в отверстие, например ТО-220 или ТО-247, каждый из выводов имеет паразитную индуктивность, величина которой может достигать единиц наногенри. При этом паразитная индуктивность, в частности, эмиттера IGBT-ключа входит как в контур управления ключом, так и в цепь силового тока.

Рис. 2. Влияние паразитной индуктивности эмиттерного вывода IGBT на цепь управления в режиме:
а) включения Turn-ON;
б) выключения Turn-OFF

Как видно на рис. 2, в цепь силового тока входит также паразитная индуктивность коллекторного вывода, а также дорожек печатной платы, соединяющих коллектор с источником питания. Влияние паразитной индуктивности эмиттера L_e на эффективное управляющее напряжение затвор-эмиттер V_ge.eff при включении и выключении описано уравнениями (1) и (2) соответственно:

Из них следует, что эффективное управляющее напряжение меньше выходного напряжения драйвера в обоих режимах работы ключа на величину вычитаемых составляющих в уравнениях. Это уменьшение управляющего напряжения увеличивает время переключения, а значит, увеличивает и потери переключения. Аналогичный эффект наблюдается и в силовом MOSFET-ключе за счет влияния паразитной индуктивности истока L_source (рис. 3).

Рис. 3. Влияние паразитной индуктивности вывода истока MOSFET на цепь управления

 

Корпус силового транзистора с выводом Кельвина

Новый транзисторный корпус ТО-247-4 имеет дополнительный вывод эмиттера, обозначенный Е2 на рис. 4.

Рис. 4. Расположение выводов IGBT-ключа в корпусе ТО-247-4

Аналогичный дополнительный вывод истока (рис. 5) предусмотрен для силовых MOSFET-транзисторов нового поколения CoolMOS C7 [3].

Рис. 5. Корпус ТО-247-4 для силовых MOSFET-транзисторов семейства CoolMOS C7

Дополнительный вывод Е2 подсоединяется непосредственно к драйверу, как показано на рис. 4. Этот отдельный эмиттерный вывод часто называют выводом Кельвина по аналогии с известным методом измерения низких сопротивлений, изобретенным лордом Кельвином. Суть метода в разделении линий питания измеряемого резистора током и линий измерения напряжения на нем. Данный принцип привел к так называемой четырехпроводной схеме измерения сопротивления, исключающей из искомой величины сопротивления подводящих проводов, что повысило точность измерения низкоомных резисторов.

Возвращаясь к рис. 4, видим, что введение дополнительного вывода эмиттера Кельвина позволяет разделить управляющий и силовой контур и исключить из уравнений (1) и (2) составляющие, уменьшающие эффективное управляющее напряжение. Силовой ток замыкается через вывод Е1.

Другое отличие нового корпуса ТО-247-4 от стандартного — это взаимное расположение выводов, показанное на рис. 4. Оно обеспечивает соответствующее рабочее напряжение (650 В) и при необходимости позволяет облегчить взаимозаменяемость двух типов корпусов на печатной плате. IGBT-транзисторы в корпусе с выводом Кельвина отличаются в обозначении третьей буквой. Например, в артикуле IKZ50N65EH5 буква «Z» означает, что это транзистор в корпусе ТО-247-4. Для стандартного корпуса ТО-247-3 третья буква артикула — «W», то есть артикул такого транзистора выглядит как IKW50N65EH5.

 

Характеристики переключения

Как уже было сказано, в корпусе с выводом Кельвина IGBT-транзистор переключается быстрее, чем такой же в стандартном корпусе ТО-247-3. Это происходит, поскольку уменьшается требуемая энергия переключения. Количественные оценки влияния данного снижения приводятся на примере IGBT-ключа ниже: сначала для режима включения (Turn-ON), затем для режима выключения (Turn-OFF).

Характеристики включения

Для измерений был выбран IGBT-транзистор в корпусе ТО-247-4 с номинальным током 50 А типа IKZ50N65EH5. В первой серии измерений вывод Кельвина Е2 не использовался. Выход драйвера был подключен непосредственно между затвором G и силовым эмиттером Е1. Это эмулировало корпус с тремя выводами ТО-247-3 (рис. 6).

Рис. 6. Потери включения IKZ50N65EH5 от тока коллектора

Во второй серии измерений того же транзистора подсоединение драйвера происходило в соответствии с рис. 4, то есть с помощью дополнительного вывода эмиттера Е2. Результат сравнения потерь включения для двух вариантов приведен на рис. 6. Также показан (точками) результат измерений потерь включения для 50 А IGBT-транзистора конкурентного производителя в стандартном корпусе ТО-247-3. Из графиков следует, что для транзистора IKZ50N65EH5 (с эмиттерным выводом Кельвина) выигрыш в потерях включения E_on составил 23% на номинальном токе 50 А.

Характеристики выключения

Так же как и в режиме включения, IGBT-транзистор в новом корпусе в режиме выключения стал быстрее. Следовательно, скорость изменения тока коллектора dI_c/dt повысилась. Тогда, если паразитная индуктивность в контуре не изменилась, это приведет к увеличению выброса коллекторного напряжения, иначе перенапряжению. Этот эффект подробно рассмотрен в [2] и сделан вывод: чтобы избежать повышенного перенапряжения для транзисторов в новом корпусе, надо либо снижать паразитную индуктивность в контуре выключения, например оптимизируя разводку печатной платы, либо увеличивать резистор затвора по цепи выключения G_off. На рис. 7 представлены графики величины перенапряжения при выключении для однотипных IGBT-транзисторов в корпусах с тремя и четырьмя выводами в зависимости от тока при разных величинах R_goff. Видно, что величину перенапряжения с запасом в 20% до максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер в транзисторе с четырьмя выводами можно получить при бóльших величинах R_goff, чем для стандартного корпуса.

Рис. 7. Зависимость величины выброса напряжения коллектор-эмиттер Vcemax при выключении от типа корпуса и сопротивления затвора Rgoff

Таким образом, чтобы снизить выброс, увеличиваем R_goff, но тогда увеличиваются потери выключения и выигрыш от применения нового корпуса частично уменьшается. Сравнивая потери выключения 50 А IGBT-транзистора IKZ50N65EH5, видим (рис. 8), что заметный выигрыш по потерям выключения для 4-выводного корпуса получается при токах коллектора, превышающих номинальный ток 50 А.

Рис. 8. Зависимость потерь выключения от тока для двух типов корпусов

Полные потери переключения

Полные потери переключения для трех вариантов протестированных IGBT-транзисторов приведены на рис. 9. Видно, что преимущество транзисторов с выводом Кельвина наиболее заметно для диапазона токов коллектора выше номинального, где выигрыш может превышать 20%. Это актуально для таких приложений, как, например, источники бесперебойного питания. В устройствах, где силовые ключи работают в диапазоне половины номинального тока коллектора, скажем, в ключевых источниках питания, выигрыш от применения нового корпуса будет ниже, достигая 15% полных потерь переключения.

Рис. 9. Зависимость:
а) полных потерь переключения от тока коллектора для двух типов корпусов;
б) выигрыша в полных потерях переключения для IGBT-транзистора с выводом Кельвина

 

Рекомендации по применению IGBT-транзисторов с выводом Кельвина

Рекомендации по выбору драйвера для IGBT-транзистора с выводом Кельвина

Драйвер для IGBT-транзистора в корпусе ТО-247-4 должен удовлетворять двум важным требованиям:

• Общий вывод драйвера, подключенный к дополнительному эмиттеру Кельвина, должен быть гальванически изолирован от силовой земли. Это необходимо для исключения закорачивания выводов Е1 и Е2 силового транзистора.
• Рекомендуется использовать отдельные резисторы затвора для включения и выключения R_gon и R_goff, так как оптимальные сопротивления для режимов включения и выключения могут существенно отличаться.

Этим условиям, например, полностью удовлетворяют микросхемы драйвера семейства EiceDriver Compact [4]. На рис. 10 приведена схема включения такого драйвера для управления IGBT-транзистором с дополнительным выводом эмиттера.

Рис. 10. Типовая схема включения драйвера EiceDriver Compact для управления транзистором в корпусе ТО-247-4

Параллельное включение силовых ключей в корпусе ТО-247-4

В случае параллельного соединения силовых транзисторов в корпусе с выводом Кельвина появляется дополнительный путь протекания тока между выводами эмиттеров. Этот контур показан на рис. 11а. Ток протекает между соединенными выводами эмиттеров Е1 и Е2. Ввиду низкого импеданса контура даже минимальная разница в индуцированных на паразитных индуктивностях напряжениях V_le может вызвать значительный ток в контуре.

Рис. 11.
а) Параллельное соединение IGBT-транзисторов и уравнительный ток через эмиттеры Кельвина;
б) видоизмененная схема с разделенными резисторами затвора

Это может произойти, в частности, если включенные параллельно IGBT-транзисторы имеют разные времена включения и, следовательно, разные величины dI_c/dt. Для ограничения таких токов можно модифицировать схему, как показано на рис. 11б. Затворные резисторы разделяются на 2 части — R_g и R_e, одна из которых подсоединяется к затвору, а вторая к эмиттеру Кельвина. В этом случае в дополнительный контур добавляется сопротивление, ограничивающее ток в нем до безопасного значения. Полное сопротивление затворного резистора определяется суммой R_g и R_e. Из практики соотношение R_e/R_g выбирают в диапазоне 1/5–1/10, при этом R_e не должно быть менее 0,5 Ом.

 

Выводы

• Рассмотрено новое в отрасли семейство TRENCHSTOP5 быстродействующих IGBT-транзисторов в корпусе ТО-247-4 с дополнительным выводом эмиттера (выводом Кельвина).
• Использование вывода Кельвина на примере IGBT-транзистора позволяет получить снижение полных потерь переключения до 20% в диапазоне номинальных токов.
• Приведены рекомендации по выбору драйвера для управления новыми транзисторами, рассмотрены особенности управления параллельным соединением силовых IGBT-ключей в корпусе ТО-247-4.
• Предложен оптимальный драйвер для применения с IGBT-транзисторами с выводом Кельвина.
• В аналогичном корпусе ТО-247-4 с дополнительным выводом истока производится семейство CoolMOS C7 MOSFET-транзисторов с суперпереходом (Superjunction) на рабочее напряжение 650 В.

Литература

1. infineon.com
2. TRENCHSTOP5 IGBT in a Kelvin Emitter Configuration, Application Notes, 2014.
3. CoolMOSTM C7 650V Switch in a Kelvin Source Configuration, Application Notes, 2013.
4. Бербенец А. EiceDriver — семейство микросхем высоковольтных драйверов IGBT и MOSFET // Силовая электроника. 2013. № 6.

Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений

Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.

Содержание:

Структура и принцип работы транзистора

В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:

Или же n-p-n:

Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.

Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора I_к, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа I_E =I_б+I_к. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений  ∆I_E =∆I_б+∆I_к.

Схемы соединения транзисторов

Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.

Общая база

Схема будет выглядеть так:

В данном случае входным током будет I_Е, а выходным I_К. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h_21б=  ∆I_к/∆I_E. Поскольку ∆I_E =∆I_б+∆I_к, то h_21б<1. Обычно h_21б= 0,98÷0,99, поскольку I_б составляет 1-2% от I_E.

Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях I_Е будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:

Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное  как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:

Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при U_К>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.

Схема с общим эмиттером

Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:

Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет I_Б, так что получим:

Если учесть что h_21б= 0,98÷0,99; имеем h_21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.

Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:

Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при U_К=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно I_Б, который в данном случае будет входным.

Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте U_К смещается вправо и показана ниже:

И здесь она при U_К>10 В от дальнейшего возрастания U_К не зависит.

Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h_12БU_К, пропорциональным U_K. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h_11Б. схема будет иметь следующий вид:

Схема с общим коллектором

Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно I_Е, учтем это путем введения источника тока h_21БI_Е, пропорционально входному I_Е. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h_22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:

Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.

Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:

Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой  индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h_21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h_21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h_11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h_22Б в сименсах.

Также для схемы с ОЭ существует такая  же система параметров и подобная эквивалентная схема:

Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:

На практике считается что h_12Б= h_12Э=0, поскольку при U_К>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:

Мощность транзисторов

Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:

• Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<P_K<0,3 Вт;
• Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< P_K< 1,5 Вт;
• Мощные транзисторы Р_К больше 1,5 В.

Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.

Коды транзисторов — поверхностный монтаж, PNP, NPN, выбор транзистора, TIP, B, A

BC107 BC107000700070007 500 мВт 900 04 TO39 среднего назначения мощность00000040004A 9IPA000

Код

Корпус стиль

IC макс.

VCE макс. В

hFE мин.

Ptot макс.

Категория (стандартное использование)

Возможные замены

BC107

TO18

100mA

45

110

300 мВт Аудио

BC108

TO18

100 мА

20

110

300 мВт

Универсального назначения, малой мощности

BC108C BC183 BC548

BC108C 00

Общего назначения, малое энергопотребление

BC109

TO18

200mA

20

200

300 мВт

Аудио (низкий уровень шума), малое энергопотребление

BC184

BC54918 TO92C

100 мА

50

100

350 мВт

Общие p urpose, маломощный

BC107 BC182L

BC182L

TO92A

100 мА

50

100

350 мВт

BC107

45

200

500 мВт

Аудиосистема с низким энергопотреблением

BC107B

BC548B

TO92C

100 мА

30

220

500 мВт

500 малая мощность

500 м

BC549B

TO92C

100mA

30

240

625 мВт

Аудио (низкий уровень шума), низкое энергопотребление

BC109

2N3053

000

Общего назначения, малой мощности

BFY51

BFY51

1A

30

40

800 мВт

Общего назначения, средней мощности

BC639

BC639

TO92A

1A

80

BFY51

TIP29A

TO220

1A

60

40

30 Вт

Общая мощность, высокая мощность

0004

40 Вт

Общего назначения, высокая мощность

TIP31C TIP41A

TIP31C

TO220

3A

100

10

40W

40W

9IPA 9IPA

TO220

6A

60

15

65W

Ген ального назначения, высокой мощности

2N3055

TO3

15A

60

20

117W

Общего назначения, высокой мощности

в эту таблицу составлено несколько источников, которые не совсем согласуются! Большинство расхождений незначительны, но, если вам требуются точные данные, проконсультируйтесь с вашим поставщиком.

Транзисторы PNP

Код

Корпус стиль

IC макс.

VCE макс. В

hFE мин.

Ptot макс.

Категория (типичное использование)

Возможные замены

BC177

TO18

100mA

45

125

3004 мВт

3004 мВт Аудио

BC178

TO18

200 мА

25

120

600 мВт

Общее назначение, малое энергопотребление

BC478

BC179

TO18

200 мА (низкий уровень шума), низкое энергопотребление

BC477

TO18

150 мА

80

125

360 мВт

Аудиосистема с низким энергопотреблением

BC177

BC177

40

125

360 мВт

Универсальное, маломощное

BC178 90 007

TIP32A

TO220

3A

60

25

40 Вт

Общего назначения, высокой мощности

TIP32C

TIP32C

Универсального назначения, высокая мощность

TIP32A

Обратите внимание: данные в этой таблице были собраны из нескольких источников, которые не совсем согласованы! Большинство расхождений незначительны, но, если вам требуются точные данные, проконсультируйтесь с вашим поставщиком.

Условные обозначения схем полупроводников для инженеров-электронщиков

Полупроводниковые символы используются для обозначения различных электронных устройств и компонентов в виде пиктограмм. Типичный электрический или электронный символ состоит из контура вместе с одним или несколькими идентификационными символами. Буквенные символы, числа и индексы, основанные на римском и греческом алфавитах, обычно используются с символом полупроводника для обозначения их различных входных или выходных клемм в отношении обычного протекания тока.

Форма и очертания символа полупроводника используются для точного представления их работы и направления тока для подключения к правильной электрической полярности, позволяющей соединять их вместе. Физическая компоновка и расположение полупроводниковых устройств на печатной плате обычно сильно отличается от схемы.

Графические символы, используемые на схемах электрических цепей, широки и разнообразны, и многие из этих символов различаются от страны к стране.В наши дни полупроводниковые символы стандартизируются на международном уровне, а символы для диодов, транзисторов и силовых электронных устройств имеют общую конструкцию. Перечисленные ниже символы соответствуют рекомендациям Международной электротехнической комиссии (IEC) и Британского института стандартов (BSI).

Условные обозначения для полупроводниковых диодов

Существует много различных типов полупроводниковых устройств, которые можно классифицировать как диод , и для большинства из этих типов они имеют отдельный символ схемы.Вот некоторые из основных типов диодов: pn-переход, Шоттки, фотодиод и светоизлучающий диод. В условных обозначениях для каждого из этих типов диодов используется один и тот же базовый формат диодов, но они изменены для обозначения их различных функций.

Диоды — это двухконтактные устройства, которые состоят из двух полупроводниковых материалов, сплавленных вместе для образования pn-перехода , где материал n-типа является катодом, а материал p-типа — анодом. Обычно катодный вывод диода обозначается цветной полосой.

Базовый схематический символ диода выглядит как острие стрелки, которая указывает в направлении обычного тока, протекающего от его вывода анод (A) к его выводу катод (K). Схематический символ диода также показывает, что при прямом смещении ток будет течь в направлении стрелки. Однако при изменении полярности напряжения ток не течет.

Схематический символ стабилитрона и диода Шоттки аналогичен условному обозначению основного диода с pn-переходом, за исключением того, что линия, представляющая катодный вывод (K) символа, изогнута с обоих концов.Схематический символ светоизлучающего диода (СИД) показывает световую энергию, наклоненную меньшими стрелками, излучаемыми от него при прямом смещении.

Условные обозначения для биполярных переходных транзисторов

Схематические символы, используемые для транзисторов с биполярным переходом, или BJT, обозначают два основных типа: транзисторы NPN (отрицательно-положительно-отрицательные) и транзисторы PNP (положительно-отрицательные-положительные). Символы биполярных транзисторов с кружком вокруг них указывают на конкретное устройство, а символы без кружка указывают на его использование во внутренней схеме.Например, логические вентили и цифровые ИС.

Биполярные транзисторы — это 3-контактные устройства со схематическим обозначением биполярного транзистора, отмеченным буквами «C», «B» и «E», соответствующими клеммам коллектора , Base и Emitter соответственно. Обычный ток протекает через биполярный транзистор от вывода эмиттера к выводу коллектора, в то время как вывод основания управляет величиной протекающего тока. Обычно эти идентификационные буквы не используются на принципиальных схемах, но включены сюда для ясности.

Другие типы символов схем биполярных транзисторов включают символы для транзисторов Дарлингтона, где два биполярных транзистора соединены вместе, чтобы сформировать единое дискретное устройство, и фототранзисторы, которые используют световую энергию для работы вместо клеммы базы.

Условные обозначения для полевых транзисторов

Полевые транзисторы, или полевые транзисторы, представляют собой 3-контактные устройства, которые бывают самых разных типов, каждое из которых имеет свой собственный символ полупроводника для описания его работы.Схематические символы, используемые для представления полевых транзисторов, помечены буквами «D», «G» и «S», соответствующими клеммам Drain , Gate и Source соответственно.

Двумя основными типами полевых транзисторов являются: Junction FET или JFET, и FET с изолированным затвором или IGFET. Переходные полевые транзисторы имеют символ, который использует стрелку, чтобы показать обычное направление тока через их диодный переход. Полевые транзисторы с изолированным затвором, которые обычно называют полевыми транзисторами из-за их конструкции из металла, оксида и кремния, имеют схематический символ, который показывает затвор, изолированный от канала сток-исток.И JFET, и IGFET (MOSFET) доступны как N-канального или P-канального типа.

Условные обозначения для устройств силовой электроники

Силовые полупроводниковые устройства — это ряд электронных устройств, которые используются в электрических цепях для преобразования, управления или переключения электроэнергии. Электрическая мощность, которую контролируют эти полупроводниковые устройства, обычно намного больше, чем мощность, управляемая биполярными транзисторами или полевыми транзисторами, указанными выше.

Полупроводниковые устройства силовой электроники, такие как тиристоры , и . Симисторы — это управляемые напряжением компоненты, используемые для переключения и управления источниками переменного тока для использования в управляемых выпрямителях, источниках питания или контроллерах приводов двигателей переменного тока.Устройства силовой электроники вместе с описанными выше компонентами находят новые применения в энергетике, энергетике, промышленности и транспорте, например, в технологиях возобновляемых источников энергии, системах зарядки аккумуляторов, накоплении энергии, солнечных инверторах, электромобилях, преобразователях энергии, HVAC и многих других. .

Схемы и приложения силовой электроники отличаются от цифровых систем или систем электроники с небольшими схемами с точки зрения эффективности, размера и возможностей управления мощностью. Ключевые компоненты: выпрямители с кремниевым управлением, выпрямители с запиранием затвора, симисторы и диаки. вместе с их схематическими обозначениями.

Транзисторы NPN и PNP: различия и их характеристики

Транзисторы PNP и NPN являются BJT и являются основным электрическим компонентом, используемым в различных электрических и электронных схемах для создания проектов. В работе транзисторов PNP и NPN в основном используются дырки и электроны. Эти транзисторы можно использовать как усилители, переключатели и генераторы. В транзисторе PNP большинство носителей заряда представляют собой дырки, а большинство носителей заряда NPN — электроны.За исключением того, что полевые транзисторы имеют только один вид носителя заряда. Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что транзистор NPN получает питание, когда ток проходит через базовый вывод транзистора. В транзисторе NPN ток проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера. Транзистор PNP включается, когда нет тока на клемме базы транзистора. В транзисторе PNP ток проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.В результате транзистор PNP включается сигналом низкого уровня, а транзистор NPN включается сигналом высокого уровня.

Разница между NPN и PNP транзистором

Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что такое транзисторы PNP и NPN, конструкция, работа и их применение.

Что такое транзистор PNP?

Термин «PNP» означает «положительный», «отрицательный», «положительный» и также известен как поиск источников. PNP-транзистор представляет собой BJT; в этом транзисторе буква «P» указывает полярность напряжения, необходимого для вывода эмиттера.Вторая буква «N» указывает полярность клеммы базы. В транзисторах такого типа большинство носителей заряда представляют собой дырки. В основном этот транзистор работает так же, как транзистор NPN.

Материалы, необходимые для изготовления выводов эмиттера (E), базы (B) и коллектора (C) в этом транзисторе, отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN. Выводы BC этого транзистора постоянно смещены в обратном направлении, тогда для вывода коллектора следует использовать напряжение –Ve.Следовательно, вывод базы PNP-транзистора должен быть -Ve по отношению к выводу эмиттера, а вывод коллектора должен быть -Ve, чем вывод базы

.

Строительство

Конструкция транзистора PNP показана ниже. Основные характеристики обоих транзисторов схожи, за исключением того, что смещение направлений тока и напряжения инвертируется для любой из достижимых 3-х конфигураций, а именно с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Конструкция PNP-транзистора

Напряжение между VBE (базой и выводом эмиттера) составляет –Ve на выводе базы и + Ve на выводе эмиттера. Так как для этого транзистора вывод базы постоянно смещен на -Ve относительно вывода эмиттера. Также VBE положительный по отношению к коллектору VCE.

Источники напряжения, подключенные к этому транзистору, показаны на рисунке выше. Вывод эмиттера соединен с «Vcc» нагрузочным резистором «RL». Этот резистор останавливает прохождение тока через устройство, которое связано с выводом коллектора.

Базовое напряжение «VB» подключено к базовому резистору «RB», который смещен отрицательно по отношению к выводу эмиттера. Чтобы базовый ток протекал через PNP-транзистор, вывод базы транзистора должен быть более отрицательным, чем вывод базы, примерно на 0,7 В (или) a-Si устройства.

Основное различие между PNP и NPN транзисторами заключается в правильном смещении стыков транзисторов. Направления тока и полярности напряжения постоянно противоположны друг другу.

Что такое транзистор NPN?

Термин «NPN» означает «отрицательный», «положительный», «отрицательный», также известный как «опускание». NPN-транзистор — это BJT , в этом транзисторе начальная буква «N» обозначает отрицательно заряженное покрытие материала. Где «P» указывает полностью заряженный слой. Два транзистора имеют положительный слой, расположенный посередине двух отрицательных слоев. Как правило, транзистор NPN используется в различных электрических схемах для переключения и усиления сигналов, которые проходят через них.

Транзистор NPN включает три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор. Эти три клеммы можно использовать для подключения транзистора к печатной плате. Когда через этот транзистор протекает ток, на базовый вывод транзистора поступает электрический сигнал. Вывод коллектора создает на более сильный электрический ток , а вывод эмиттера превышает этот более сильный ток в цепи. В транзисторе PNP ток проходит через коллектор к выводу эмиттера.

Обычно используется транзистор NPN, потому что его очень просто сгенерировать. Для правильной работы NPN-транзистора он должен быть создан из полупроводникового объекта, который держит некоторый ток. Но не в максимальном количестве, как в материалах с очень высокой проводимостью, таких как металл. Кремний — один из наиболее часто используемых в полупроводниках. Эти транзисторы — простые транзисторы, которые можно построить из кремния.

NPN-транзистор используется на печатной плате компьютера для преобразования информации в двоичный код, и эта процедура выполняется с помощью множества крошечных переключателей, включаемых и выключаемых на платах.Мощный электрический сигнал поворачивает выключатель, а отсутствие сигнала — выключение.

Строительство

Конструкция NPN-транзистора показана ниже. Напряжение на базе транзистора составляет + Ve и –Ve на выводе эмиттера транзистора. Вывод базы транзистора всегда положительный по отношению к эмиттеру, а также подача напряжения коллектора составляет + Ve по отношению к выводу эмиттера транзистора. В этом транзисторе клемма коллектора связана с VCC через RL

. Конструкция транзистора NPN

Этот резистор ограничивает ток через самый высокий базовый ток.В транзисторе NPN поток электронов через базу представляет собой действие транзистора. Основная характеристика этого транзисторного действия — соединение между цепями i / p и o / p. Потому что усилительные свойства транзистора проистекают из результирующего управления, которое база использует на коллекторе для эмиттерного тока.

Транзистор NPN — это устройство, активируемое током. Когда транзистор включен, большой ток IC подается между выводами коллектора и эмиттера в транзисторе.Но это происходит только тогда, когда крошечный ток смещения «Ib» протекает через вывод базы транзистора. Это биполярный транзистор; ток — это отношение двух токов (Ic / Ib), называемое усилением постоянного тока устройства.

Он обозначается словом «hfe» или в наши дни beta. Значение бета может достигать 200 для типичных транзисторов. Когда NPN-транзистор используется в активной области, то базовый ток «Ib» дает i / p, а ток коллектора «IC» дает o / p. Коэффициент усиления по току NPN-транзистора от C до E называется альфа (Ic / Ie), и это предназначение самого транзистора.Поскольку Ie (ток эмиттера) является суммой крошечного тока базы и огромного тока коллектора. Значение альфа очень близко к единице, а для типичного маломощного сигнального транзистора значение находится в диапазоне от 0,950 до 0,999.

Символы транзисторов

Условные обозначения для транзисторов NPN и PNP очень похожи. Основное отличие — это путь стрелки над выводом эмиттера. В транзисторе NPN символ стрелки указывает наружу, тогда как в транзисторе PNP символ стрелки указывает внутрь.

Символ транзистора PNP показан на приведенных выше рисунках, где стрелка показывает, что поток тока будет от вывода эмиттера к коллектору, тогда как в транзисторе NPN поток тока будет от коллектора к выводу эмиттера.

Транзисторы PNP и NPN

Что лучше NPN или PNP?

Оба транзистора, такие как NPN и PNP, являются BJT. Это устройства управления током, особенно используемые для усиления и переключения. Как правило, транзистор NPN в основном используется в схеме, так как в транзисторе NPN проводимость тока обусловлена ​​электронами, тогда как в PNP проводимость тока обеспечивается отверстиями.Когда электроны более подвижны, тогда проводимость NPN-транзистора высока.

Термины NPN и PNP показывают напряжение, необходимое для трех выводов переходной транзисторной базы, эмиттера и коллектора. Эти два транзистора спроектированы из разных материалов, потому что текущая разработка в них также меняется. В некоторых случаях, когда на эмиттер подается напряжение, электроны будут течь через базу и, наконец, достигнут клеммы коллектора. Это происходит из-за того, что клеммы базы этих транзисторов очень тонкие, а также слегка легированы.

Транзистор

NPN более предпочтителен по сравнению с PNP, потому что мы знаем, что в PNP дырки являются основными носителями заряда, тогда как в NPN электроны являются основными носителями заряда. Таким образом, подвижность дырок не ускоряется по сравнению с подвижностью электронов. В разных приложениях используются разные типы транзисторов, такие как PNP и NPN. Таким образом, дырки подвижны не так быстро, как электроны, поэтому NPN-транзистор более предпочтителен.

Разница между NPN и PNP транзистором

Одно из основных различий между этими двумя транзисторами заключается в том, что в NPN-транзисторе ток будет проходить между коллектором и выводом эмиттера, как только положительное питание подается на вывод базы транзистора.В транзисторе PNP носитель заряда подает ток от вывода эмиттера к коллектору, как только отрицательное питание подается на вывод базы. Различия между NPN и PNP транзисторами в табличной форме различаются по разным факторам.

Разница между транзисторами NPN и PNP заключается в следующем.

.

NPN транзистор	PNP транзистор
В транзисторе NPN P-слой разделяет два слоя N-типа	В транзисторе PNP N-слой разделяет два слоя P-типа
NPN означает отрицательно-положительный и отрицательный	PNP означает положительный отрицательный и положительный
Ток в NPN-транзисторе идет от вывода коллектора к эмиттеру	Ток в транзисторе PNP идет от вывода эмиттера к коллектору
Этот транзистор активируется, когда основные носители заряда, такие как электроны, входят в клемму базы	Этот транзистор активируется, когда основные носители заряда, такие как дыры, входят в клемму базы
Внутренний ток этого транзистора будет развиваться из-за изменения расположения электронов.	Внутренний ток этого транзистора будет развиваться из-за изменения расположения отверстий.
В этом транзисторе может развиться внешний ток из-за протекания отверстий	В этом транзисторе может возникнуть внешний ток из-за потока электронов
Основными носителями заряда в NPN-транзисторе являются электроны, а неосновными носителями заряда — дырки.	Большинство носителей заряда в транзисторе PNP представляют собой дырки, тогда как неосновные носители заряда — электроны.
Низкий сигнал заземления	Сигнал заземления высокий
Малые источники тока от вывода эмиттера к базе	Малые источники тока от терминала базы до эмиттера
В этом транзисторе переход коллектор-база имеет обратное смещение	В этом транзисторе соединение коллектор-база имеет обратное смещение
В этом транзисторе переход эмиттер-база смещен в прямом направлении	В этом транзисторе переход эмиттер-база смещен в прямом направлении
В этом транзисторе вывод коллектора является выводом положительного напряжения	В этом транзисторе вывод эмиттера является выводом положительного напряжения
Время переключения этого транзистора больше	Время переключения этого транзистора меньше
Как только ток в клемме базы уменьшается, этот транзистор перестает работать на клемме коллектора и выключается	Как только на клемме базы появится ток, этот транзистор выключится.

Ключевое различие между NPN и PNP транзистором

Транзисторы

PNP и NPN представляют собой трехконтактные устройства, изготовленные из легированных материалов, часто используемые в коммутационных и усилительных устройствах. В каждом биполярном транзисторе есть комбинация диодов с PN переходом. Когда соединяется пара диодов, получается бутерброд. Это своего рода полупроводник посреди двух похожих типов.

Итак, есть только два вида биполярных сэндвичей, а именно PNP и NPN.В полупроводниковых устройствах NPN-транзистор обычно имеет высокую подвижность электронов, которая оценивается как подвижность дырки. Таким образом, он пропускает огромное количество тока и работает очень быстро. К тому же конструкция этого транзистора проста из кремния.

• Оба транзистора собраны из специальных материалов, и ток в этих транзисторах также разный.
• В транзисторе NPN текущий ток проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера, тогда как в PNP поток тока проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.
Транзистор
• PNP состоит из двух слоев материала P-типа со слоем между слоями N-типа. Транзистор NPN состоит из двух слоев материала N-типа со слоем, зажатым слоем P-типа.
• В NPN-транзисторе на клемме коллектора устанавливается положительное напряжение, чтобы генерировать ток от коллектора. Для транзистора PNP на выводе эмиттера устанавливается положительное напряжение, чтобы генерировать поток тока от вывода эмиттера к коллектору.
• Основной принцип работы NPN-транзистора заключается в том, что когда ток увеличивается до клеммы базы, затем транзистор включается, и он полностью работает от клеммы коллектора до клеммы эмиттера.
• Когда вы уменьшаете ток на базе, транзистор включается, и ток становится очень низким. Транзистор больше не работает через вывод коллектора к выводу эмиттера и выключается.
• Основной принцип работы транзистора PNP — это когда ток присутствует на базе транзистора PNP, а затем транзистор выключается. Когда на базе транзистора нет протекания тока, транзистор включается.

Характеристики транзистора PNP и NPN

O / p характеристики транзисторов PNP и NPN аналогичны.Основное отличие состоит в том, что характеристическая кривая PNP-транзистора поворачивается на 180 градусов для измерения напряжений обратной полярности, а также значений тока. На характеристической кривой будет существовать линия динамической нагрузки для измерения значения точки Q. Подобно NPN, транзистор PNP также используется в схемах усиления и переключения.

Как определить транзисторы PNP и NPN

Идентификация транзисторов PNP и NPN включает разные этапы.

Для транзистора NPN

• В мультиметре выбрать режим измерителя на диоде.
• Поместите положительный щуп измерителя к клемме базы транзистора
• Поместите отрицательный щуп к эмиттерной клемме штыря так, чтобы внутри измерителя было видно напряжение
• Таким же образом поместите отрицательный щуп на вывод коллектора по отношению к контакту 2, тогда вы сможете наблюдать напряжение внутри мультиметра.
• Итак, это транзистор NPN
.
• Вывод эмиттера изготовлен из материала n-типа, что соответствует катодному выводу диода
.
• Базовый вывод представляет собой материал p-типа, который равен анодному выводу диода
• Коллекторный вывод выполнен из материала n-типа, который аналогичен катодному выводу диода.
• Если положительный и отрицательный щуп мультиметра подсоединен к клеммам анода и катода, то он будет отображать напряжение. Если этими соединениями поменяться местами, на нем не будет отображаться никакого значения.

Для транзистора PNP

• В мультиметре выбрать режим измерителя на диоде.
• Поместите положительный щуп на вывод эмиттера транзистора.
• Поместите отрицательный щуп к клемме базы, тогда вы сможете заметить некоторое напряжение на мультиметре.
• Таким же образом поместите отрицательный щуп к основанию относительно клеммы коллектора, тогда вы сможете наблюдать некоторое напряжение внутри мультиметра.
• Таким образом, он удостоверится, что это транзистор PNP, и основная логика этого в основном включает в себя следующее.
• Вывод эмиттера выполнен из материала P-типа, который равен анодному выводу диода
• Базовый вывод выполнен из материала N-типа, который равен катодному выводу диода
• Вывод коллектора изготовлен из материала P-типа, который равен анодному выводу диода

Если положительный зонд этого мультиметра может быть подключен к анодному выводу, а отрицательный зонд можно подключить к катодному выводу, после этого он будет отображать некоторое напряжение.Если оба соединения поменяны местами, значение не будет отображаться.

Это все об основном различии между транзисторами NPN и PNP, которые используются для проектирования электрических и электронных схем и различных приложений. Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или чтобы узнать больше о различных типах конфигураций транзисторов, вы можете дать свой совет, прокомментировав в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, , какой транзистор имеет более высокую подвижность электронов?

Кодирование транзистора — 4 стандартные схемы кодирования

О кодировании транзисторов.Один из самых распространенных электронных компонентов — транзистор. Вы найдете его практически на всех устройствах. Но знаете ли вы, что существуют разные типы транзисторов? Кроме того, какой транзистор вы используете в простой схеме?

Определение типов транзисторов может быть довольно запутанным. Однако, если вы разбираетесь в схемах кодирования транзисторов, вы можете выбрать лучшее для конкретной топологии схемы.

Таким образом, наша статья ответит на различные вопросы о компонентах транзисторов, в первую очередь объясняя систему кодирования транзисторов.Присоединяйтесь к нам, когда мы углубимся в основы кодирования транзисторов.

Pro-Electron или EECA Система нумерации и кодирования

Рисунок 1: Несколько транзисторов

Система кодирования EECA представляет собой схему кодирования, принятую в европейских странах. Он предназначен для обозначения сигнальных диодов, биполярных транзисторов и полевых транзисторов. В нашем случае мы рассмотрим, насколько система полезна для наименования сигнального транзистора.

Согласно этой европейской системе наименований, в транзисторах две буквы предшествуют цифрам.

Первая буква кода будет обозначать тип материалов, из которых изготовлен транзистор.

Вот материалы, представленные первой буквой в этой системе именования. Обратите внимание, что вы найдете букву B как первую букву в большинстве кодов для транзисторов. Таким образом, наиболее распространенные типы транзисторов изготавливаются из кремния.

Рисунок 2: Трехконтактный транзистор

Далее дополнительная буква дает дополнительную информацию о кодировке транзистора.Второй буквенный код транзисторов обозначает приложение устройства. Таким образом, по второй букве можно определить тип устройства, совместимый с типом транзистора.

Вот коды букв суффикса.

Второе письмо	Приложение устройства
А	Диодные радиочастоты (РФ)
Б	Вариак
К	Усилитель звуковой частоты, транзисторный, малая частота
D	Усилитель мощности звуковой частоты, силовой транзистор,
E	Туннельный диод
ф	Радиочастотный усилитель малой мощности
К	Устройство на эффекте Холла
л	Транзистор силовой высокочастотный
N	Оптрон
п	Устройства, чувствительные к излучению
квартал	Устройства, излучающие
R	Тиристор малой мощности
т	Силовой тиристор
U	Силовые тиристоры для функций переключения
Y	В выпрямителях
Z	В стабилитронах или диоде регулятора напряжения

Третье письмо

Кроме того, другой важной частью этой системы кода транзистора является третья буква.Транзистор с третьей буквой широко используется в промышленных / профессиональных приложениях. С другой стороны, те, у кого нет буквы, используются в коммерческих приложениях.

Третьи буквы, которые вы найдете на транзисторах, включают W, X, Y или Z. Наконец, существует система серийных номеров, которая работает от 100 до 9999. Теперь, когда мы знаем, как работает система именования, мы можем присвоить этому транзистору имя: AD 140

.

Префикс A означает, что транзистор сделан из германия.

Вторая буква D используется в усилителях мощности звуковой частоты.

Система нумерации или кодирования JEDEC

Рисунок 3: Несколько транзисторов

Объединенный технический совет по электронным устройствам (JEDEC) используется для наименования транзисторов и диодов в США. Кроме того, это упрощенная система именования, которая принимает первое число, вторую букву, серийный номер и формат суффикса.

Вторая буква в нумерации JEDEC всегда будет буквой N.’ Также; вы также можете определить количество ножек транзистора, добавив единицу к первой букве.

Серийные номера этой системы именования также находятся в диапазоне от 100 до 9999. Однако о транзисторе ничего не говорится. Тем не менее, вы можете использовать серийные номера, чтобы определить, когда транзистор появился на рынке.

Наконец, в этой системе именования есть дополнительный суффикс. Он предоставит группу усиления (hfe) компонента, который вы обрабатываете. В таблице ниже показаны группы усиления для различных суффиксов в системе нумерации JEDEC.

Суффикс	Группа прироста
А	Низкое усиление
Б	Среднее усиление
К	Высокое усиление
Без суффикса	Любое усиление

Группировка усиления в транзисторах важна, особенно в процессе выбора. В большинстве случаев транзисторы с высоким коэффициентом усиления дороже, чем транзисторы с низким коэффициентом усиления.В результате крупные пользователи транзисторов значительно сэкономят на расходах, если купят транзисторы с низким коэффициентом усиления.

Обратите внимание, что в этой системе именования после группировки усиления нет дополнительных букв. Различные транзисторы в системе JEDEC включают 2N2221A, 2N3819 и 2N904.

Схема нумерации полупроводниковых приборов JIS

Рисунок 4: Кодированный транзистор

Японский промышленный стандарт именования принимает формат цифры, двух букв, серийного номера и необязательного суффикса.

Опять же, прибавив единицу к первому числу, вы получите количество ножек устройства. Далее две буквы обозначают тип и область применения устройства. Таблица ниже поясняет конкретные представления букв в этой системе.

Письма	Предполагаемое приложение
SA	ВЧ транзистор PNP
SB	PNP AF Транзистор
SC	ВЧ транзистор NPN
SD	NPN AF Транзистор
SE	Диоды
SF	Тиристоры
SG	диод Ганна
SH	Однопереходный транзистор (UJT)
SJ	Полевые транзисторы / МОП-транзисторы с каналом P
SK	N-канальный полевой транзистор / полевые МОП-транзисторы
SM	Симисторы
SQ	светодиода
SR	Выпрямители
SS	Диоды сигнальные
СТ	Лавинный диод
SV	Варикапс
SZ	Стабилитроны

В-третьих, в этой системе именования есть серийные номера от 10 до 9999.Наконец, есть необязательные суффиксы. Они представляют собой различные типы транзисторов, одобренные для конкретных целей японскими компаниями.

Также обратите внимание, что первая цифра в этой системе именования — 2 для транзисторов и 1 для диодов.

Более того, как вы могли заметить, первая буква в этой системе именования — S. Следовательно, первые две буквы в транзисторе будут «2S».

Поскольку «2S» будет синонимом для всех транзисторов, вы можете игнорировать его во время записи.Таким образом, вы можете записать транзистор с кодом 2SA1187 как A1187.

Номера производителей

У некоторых производителей также есть своя уникальная система именования транзисторов. Часто это обычно делается по коммерческим или маркетинговым причинам. Например, у Motorola есть такие транзисторы, как MJE, MJ, MPS и MRJ.

Точно так же у Texas Instruments есть коды транзисторов, такие как TIP, TIPL и TIS.

Заключение

Приведенные выше системы кодирования являются общепринятыми способами наименования транзисторов.Мы подробно объяснили, как идентифицировать транзисторы в различных системах. Однако вы все равно можете обнаружить, что кое-чего не понимаете. Если это ваш случай, не стесняйтесь обращаться к нам.

Что такое транзистор BC108? (с изображением)

Транзисторы выполняют две основные функции. Они усиливают электронные сигналы и действуют как переключатели. Транзистор BC108 — это кремниевый транзистор общего назначения.Буквенный код «B» представляет кремний, а буквенный код «C» представляет маломощную звуковую частоту. Цифры обозначают конкретную модель транзистора.

Во время производства чистый кремний, используемый для изготовления транзисторов, легируют другими элементами, чтобы изменить нейтральные свойства кремния на положительный и отрицательный материал. Положительно легированный материал обозначен «P», а отрицательно легированный материал обозначен «N.«Таким образом, транзистор NPN имеет два отрицательных слоя и один положительный слой. И наоборот, транзистор PNP имеет два положительных слоя и один отрицательный слой. Транзистор BC108 является транзистором NPN.

База транзистора находится между коллектором и эмиттером.В двух основных типах транзисторов база сделана из положительного или отрицательного материала. Транзистор NPN BC108 имеет положительную материальную базу, а коллектор и эмиттер — отрицательные материалы. Обратное верно для транзистора PNP.

Схема транзистора показывает базу транзистора в виде прямой линии с перпендикулярным к ней выводом в центре.На схеме коллектор показан в виде линии, соединяющейся с основанием под углом. Эмиттер обозначен стрелкой, указывающей на базу для транзистора PNP и от базы для транзистора NPN. На некоторых схемах транзисторов символ обведен кружком.

Подача тока на базу транзистора BC108 заставляет ток течь через базу и выходить из эмиттера.Ток база-эмиттер позволяет току течь от коллектора через эмиттер. Два тока складываются, и в результате ток, подаваемый на коллектор, усиливается. Так транзистор, такой как BC108, усиливает сигнал.

Ток не может течь от коллектора, если не присутствует ток база-эмиттер.В коммутационных приложениях эта характеристика транзистора BC108 используется для управления током. Транзисторы, которые могут быстро включаться и выключаться, лучше подходят для этого приложения, чем те, которые усиливают сигналы.

Характеристики транзистора BC108 делают его транзистором общего назначения с некоторыми свойствами, подходящими для маломощного усиления на частотах в звуковом диапазоне.Общая мощность ограничена 300 милливатт в стандартной версии, а BC108C может выдерживать до 600 милливатт. Ограничение звукового диапазона предполагает, что он лучше всего подходит для приложений, которые ограничивают частоты от 20 до 20 000 герц.

С общей мощностью, ограниченной 300 милливатт, транзистор BC108 не подходит для использования в качестве основного усилителя в домашней или автомобильной стереосистеме.Скорее, он лучше подходит для маломощного некритичного переключения или для увеличения мощности сигнала для обработки другой схемой. Другие транзисторы лучше подходят для высокоскоростного переключения или усиления большой мощности.

Коинтеграция однотранзисторных нейронов и синапсов путем изготовления наноразмерных КМОП для высокомасштабируемого нейроморфного оборудования

Характеристики единичного устройства нейрона и синапса

N-канальный однотранзисторный нейрон и синапс имеют такую ​​же структуру SONOS, как показано на рис.1Б. Интеркалированный нитрид улавливателя заряда (Si ₃ N ₄ ) в многослойных диэлектриках затвора допускает мультисостояния в зависимости от количества захваченных зарядов. Они могут выполнять две функции: (i) включать возбуждающую / тормозную функцию или настраивать пороговое напряжение срабатывания ( В, _{Тл, срабатывание} ) в нейроне и (ii) управлять обновлением веса в синапсе. Подобно гомотипу, нейрон и синапс имеют одинаковую структуру, но работают по-разному, как показано на рис.1С. Для работы нейрона входной ток ( I, _в ), собранный из пресинапсов, подается на электрод стока (или истока) ⁺ , а выходное напряжение ( В, _из ) создается из того же номера n ^{. +} электрод стока (или истока). Для работы синапса напряжение, передаваемое от пренейрона ( В, _в ), подается на электрод затвора синапса, а выходной ток ( I _из ) проходит от источника n ⁺ (или сток) электрод.Эти нейроны и синапсы были изготовлены на 8-дюймовой пластине с использованием того же стандартного процесса Si CMOS и были связаны друг с другом посредством металлизации для монолитно интегрированной нейроморфной системы, как показано на рис. 1D. Детали изготовления описаны на рис. S1.Как упоминалось ранее, возбуждение / торможение нейрона определяется захватом электронов в нитриде структуры SONOS. Тормозная функция, которая отключает активацию нейрона, необходима, потому что она может повысить энергоэффективность нейроморфной системы путем выборочной активации определенного нейрона.Следовательно, он может реализовать эффективное обучение и логический вывод с помощью механизма WTA ( 21 — 23 ). Как показано на рис. 2А, если электроны не захватываются нитридом, нейрон находится в состоянии с низким сопротивлением. Таким образом, ток течет через канал при подключении I, _в . Как следствие, заряды не интегрируются, и негерметичная функция интегрирования и возгорания (LIF) подавляется. В противном случае нейрон находится в состоянии высокого сопротивления (HRS), когда захваченные электроны в нитриде создают потенциальный барьер между источником n ⁺ и каналом p-типа, называемым встроенным потенциалом p-n.Соответственно, заряды интегрируются до момента стрельбы. Для работы нейрона затвор нейронного транзистора является своего рода псевдозатвором, в отличие от обычного фактического затвора. Он используется не для работы LIF, а для улавливания заряда. Для захвата электронов в нитриде на псевдозатвор подается положительный импульс напряжения. После этого он поддерживается в плавающем состоянии для работы нейрона. Из-за энергонезависимости захваченных зарядов даже без смещения затвора потребление энергии намного меньше по сравнению с нашим предыдущим исследованием, которое требовало дополнительного и непрерывного контроля напряжения затвора ( 33 , 34 ).

Рис. 2. Единичная характеристика однотранзисторного нейрона и синапса.

( A ) Принцип работы однотранзисторного нейрона. Возбуждение / торможение нейрона определяется захватом электронов в нитриде. ( B ) Выходная характеристика ( I _D — V _D ) изготовленного однотранзисторного нейрона. Явление однотранзисторной защелки (STL), которое позволяет пороговое переключение около В _{защелка} , наблюдалось только после захвата электронов (возбуждения).( C ) Пиковая характеристика изготовленного однотранзисторного нейрона. Спайк нейронов при операции LIF возбуждался после захвата электронов, тогда как он подавлялся до захвата электронов. ( D ) Принцип работы однотранзисторного синапса. Вес синапса можно регулировать, контролируя плотность захваченного заряда в нитриде. ( E ) Передаточная характеристика ( I _D — V _G ) изготовленного однотранзисторного синапса после потенцирования и депрессии.Пороговое напряжение ( В, _T ) было смещено влево после потенцирования и вправо после нажатия. ( F ) Характеристика потенцирования-депрессии (P-D) изготовленного однотранзисторного синапса. Было обеспечено 32 уровня состояния проводимости (5 бит).

На рисунке 2B показаны выходные характеристики изготовленного n-канального однотранзисторного нейрона, которые представлены зависимостью тока стока от напряжения стока ( I _D — V _D ).Длина его затвора ( L _G ) и ширина канала ( W _CH ) составляют 880 и 280 нм соответственно. До захвата электронов I _D течет независимо от V _D . После захвата электронов с напряжением на затворе ( В, _G ), равным 12 В, и продолжительностью импульса 100 мкс, I _D не течет при низком значении В _D . Однако большое количество I _D резко выходит за пределы критического V _D ; это называется напряжением фиксации ( В, , _{, защелка,} ).Это явление известно как явление однотранзисторной защелки (STL) и служит пороговым переключателем ( 35 , 36 ). На рисунке 2C показана зависимость В _из от времени при постоянном I _в подавался на электрод стока однотранзисторного нейрона до и после захвата электронов. В, , _G, , 12 В, применяли для захвата электронов (возбуждающее), а В, _G , равное –12 В, применяли для улавливания электронов (ингибирование).После захвата и снятия ловушек вентиль поддерживался в плавающем состоянии для работы нейрона. Напряжение В, , _{, выход} , было измерено на том же электроде стока. Перед захватом электронов нанесенный I _в непосредственно протекал через канал к источнику, и накопление заряда (интегрирование) не допускалось. В результате была задействована тормозная функция, в отличие от двухконцевого мемристорного нейрона. После захвата электронов примененный I _в не вытек к источнику, а заряды накапливались в паразитном конденсаторе ( C _пар ).В соответствии с этим процессом интеграции, V _D эквивалентно V _из было увеличено до V _{T, срабатывая} . Одновременно итеративная ударная ионизация вызывалась повышенным V _D и накоплением дырок в теле. Когда V _out достигает V _{защелка} , которая совпадает с V _{T, срабатывает} , накопленные заряды в C _par внезапно разряжаются STL.Это процесс увольнения. Таким образом, имитировали импульс нейрона. На рисунке S2 показана диаграмма энергетического диапазона во время операции LIF, которая была получена с помощью моделирования устройства с помощью технологии компьютерного проектирования (TCAD). Обратите внимание, что в момент выстрела энергетический барьер между источником n ⁺ и телом p-типа понижен настолько, чтобы позволить интегрированным зарядам уйти к источнику. Измеренная частота пиков ( f ) была увеличена по мере увеличения I _в .В дополнение к управлению возбуждением и ингибированием, V, _{T, firing} можно было настраивать путем управления плотностью захваченного заряда в нитриде. Это настраиваемое свойство V, _{T, срабатывание} важно для реализации надежной нейроморфной системы ( 23 , 24 ). Если проводимость синапса является неприемлемо низкой или высокой из-за вызванной процессом изменчивости и проблем с выносливостью, то целевое количество запусков не может быть достигнуто.Для подавления этой нестабильности требуется настраиваемый V, _{T, поджиг} . Как показано на рис. S3A, защелка V была увеличена с помощью приложенного программного импульса. Это связано с тем, что количество носителей, подаваемых от источника к телу, было уменьшено из-за пониженного потенциала тела (то есть увеличенного встроенного потенциала на источнике n ⁺ и теле p-типа) захваченных электронов. В результате В, _{Т, срабатывание} шипа было увеличено, как показано на рис.S3 (B и C). Таким образом, продемонстрированный многоступенчатый однотранзисторный нейрон использует как управляемость возбуждающей / тормозной функции, так и настраиваемость V, _{T, запускающего} .

Характеристики утечки за счет диффузии ионов через мембрану важны для биологического нейрона. Это связано с тем, что если характеристики утечки отсутствуют, то предыдущий сигнал ниже порогового значения будет сохранять напряжение до тех пор, пока следующий входящий сигнал не вызовет зажигание, даже по прошествии длительного времени.Мы провели измерения импульсов тока, чтобы подтвердить ЛИФ-характеристику изготовленного однотранзисторного нейрона. Прямоугольный импульс частотой 1 Гц с пиком 500 пА и скважностью 2% подавался на электрод стока, и напряжение В, , _из , было измерено на том же электроде стока. Как показано на рис. S4A, было подтверждено, что V _out было уменьшено, когда не подавался входной ток. Это представляет собой негерметичное свойство. На основе измеренных данных поведение LIF однотранзисторного нейрона было смоделировано с помощью программы моделирования с симуляцией с акцентом на интегральную схему (SPICE) с использованием порогового переключателя и паразитного конденсатора, как показано на рис.S4B. Обратите внимание, что узлы для измерения напряжения и узлы для переключения равны в пороговом переключателе, управляемом напряжением. C _пар , V _{T, срабатывание} и сопротивление на HRS ( R _от ) были установлены как 8 пФ, 3 В и 5 тером соответственно. Как следствие, было хорошее согласие между смоделированными и измеренными характеристиками выбросов (рис. S4A).

f нейрона LIF можно смоделировать следующим образом:

f = 1∫0VT, firing (CparIin-VoutRoff) dVout

, где R _off — это ток в выключенном состоянии в HRS во время интеграции.По мере того, как V _{T, срабатывание} уменьшается, f увеличивается, потому что срабатывание происходит при более низком напряжении. Следует отметить, что V _{T, срабатывающий} , который соответствует V _{защелке} на рис. 2B, определяется различными параметрами, такими как L _G , концентрация легирования тела ( N _{, корпус} ) и энергетическая запрещенная зона ( 36 , 37 ). По мере увеличения L _G защелки V и V _{T, срабатывание} увеличивается, поскольку для этого требуется более высокое напряжение стока для обеспечения фиксации из-за уменьшенного бокового электрического поля ( E _{бокового} ).Обратите внимание, что E _{боковой} может быть приблизительно равен ( V _D — V _S ) / L _G . На рисунке S5A показан V _{T, работающий} как функция от L _G . В дополнение к измерениям мы провели моделирование устройства, чтобы подтвердить аналогичную тенденцию между V _{T, стреляющим} и L _G короче, чем изготовленный L _G с помощью Synopsys Sentaurus TCAD Переходное моделирование.Как и ожидалось, при уменьшении L, _G , V, _{T, срабатывание} было уменьшено за счет уменьшения V, _{, защелка} . Когда L _G укорочен до 250 нм, V _{T, срабатывание} может быть уменьшено до 1,1 В. На рисунке S5 (B и C) показаны f и энергия на пик ( E / шип) в зависимости от L _G соответственно. E / пик за 1 с был рассчитан путем умножения I _на и площадь под одним выступом на рис.2C, где показано измеренное выходное напряжение ( В, _из ) в зависимости от времени. Таким образом, он извлекается как Iin · ∫01fVoutdt. Поскольку L _G был уменьшен, f был увеличен, а E / шип был уменьшен на уменьшенный V _{T, стреляя} . Когда L _G уменьшается до 250 нм, f может быть увеличен до 7,6 кГц, а E / пик может быть уменьшен до 1,3 пДж / пик на I _в из 10 нА. .С другой стороны, когда L _G меньше 250 нм, STL не возникает из-за утечки, вызванной сквозным током, непосредственно протекающим через сток ⁺ к истоку n ⁺ . Таким образом, работа нейрона может быть отключена. Дальнейшее уменьшение размера L _G станет возможным с помощью инженерных решений, таких как имплантация карманов (или ореолов), путем подавления сквозной утечки, которая отключает STL.

По мере увеличения I _в скорость зарядки увеличивается, а f имеет тенденцию к увеличению.Помимо V _{T, стреляющих} и I _в , C _par играет важную роль в управлении f . Из приведенного выше уравнения f увеличивается по мере уменьшения C _par , поскольку для зарядки меньшего паразитного конденсатора требуется меньше времени. Чтобы подтвердить эффект C _par , мы измерили f и извлекли E / пик, подключив внешний конденсатор параллельно однотранзисторному нейрону. L _G было зафиксировано как 880 нм. На рисунке S6 (A и B) показано, что f был увеличен, а E / шип был уменьшен, поскольку C _par был уменьшен. Чтобы подтвердить характеристики нейрона с меньшим C _par , чем у измеренного C _par , мы выполнили моделирование устройства с помощью Synopsys Sentaurus TCAD. Примечательно, что трудно охарактеризовать емкость уровня субпикофарад из-за емкости контактной площадки устройства.Обратите внимание, что размер контактной площадки больше, чем 100 мкм на 100 мкм для прямого зондирования, по сравнению с размером нейрона с одним транзистором. Согласно данным моделирования, когда C _par составлял 0,5 пФ, f можно было увеличить до 11,7 кГц, а E / пик можно было уменьшить до 0,7 пДж / пик на I _дюйм. из 10 нА. Следовательно, лучше уменьшить C _пар однотранзисторного нейрона, чтобы повысить скорость вычислений и энергоэффективность.Это означает, что миниатюризация однотранзисторного нейрона благоприятна для повышения производительности нейрона, то есть они масштабируемы по отношению друг к другу.

Сравнивалась потребляемая мощность однотранзисторного нейрона и мемристорного нейрона. Пиковая потребляемая мощность была получена путем умножения пикового тока на В, _из (рис. S7). Было обнаружено, что однотранзисторный нейрон потребляет пиковую мощность 1,5 мкВт, что в 7–261 раз меньше, чем нейроны на основе мемристора ( 18 , 20 ).Такое низкое пиковое энергопотребление по сравнению с нейронами на основе мемристора объясняется небольшой площадью поперечного сечения канала для протекания тока из-за высокой масштабируемости изготовления нанокМОП. Его изготовленная площадь была извлечена из произведения толщины канала (50 нм, т.е. высота канала) и ширины канала (280 нм). Кроме того, сравнивалась потребляемая мощность однотранзисторного нейрона и обычного схемного нейрона. Средняя потребляемая мощность нейрона, основанного на схеме, находится в диапазоне 0.От 3 до 78,16 мкВт ( 9 — 11 ). Хорошо известно, что средняя потребляемая мощность намного меньше, чем пиковая потребляемая мощность. Обратите внимание, что пиковая потребляемая мощность однотранзисторного нейрона сопоставима со средней потребляемой мощностью нейрона на основе схемы, потому что мощность не потребляется во время интеграции, когда пиковый ток не течет. Например, средняя мощность в одном пике была получена как 15,4 нВт, тогда как I _в составляла 10 нА.Следовательно, однотранзисторный нейрон может потреблять мало энергии для нейроморфных вычислений.

С другой стороны, стоит отметить, что однотранзисторный нейрон имеет двунаправленную характеристику, в которой операция выброса возможна как для ввода-вывода стока, так и для ввода-вывода истока (рис. S8). Когда ток подается на электрод стока (ввод / вывод стока), положительные заряды интегрируются в паразитный конденсатор на стороне стока. Соответственно, уровень V, , _out низкий в состоянии покоя и высокий в состоянии интеграции, как показано на фиг.S8A. Напротив, когда ток снимается с источника (ввод / вывод источника), отрицательные заряды интегрируются в паразитный конденсатор на стороне источника. Другими словами, уровень V _out высокий в состоянии покоя и низкий в состоянии интеграции, как показано на фиг. S8B. Эта двунаправленная характеристика может предоставить больше степеней свободы при проектировании нейроморфной системы. Таким образом, мы использовали оба метода для построения нейроморфной системы.

Поскольку устройство синапса имеет ту же структуру SONOS, что и нейрон, вес синапса можно регулировать, контролируя плотность захваченного заряда в нитриде.Например, если электроны захватываются путем приложения положительного смещения к затвору, то пороговое напряжение ( В, _T ) смещается вправо, а проводимость канала уменьшается при том же напряжении считывания, как показано на рис. 2D. . Это своего рода депрессия. В противном случае V _T сдвигается влево, а проводимость канала увеличивается при том же напряжении считывания. Это своего рода потенцирование. На рисунке 2E показаны передаточные характеристики изготовленного n-канального однотранзисторного синапса, которые представлены зависимостью тока стока от напряжения затвора ( I _D — V _G ).Его L _G и W _CH имеют длину 1880 и 180 нм соответственно. В _T регулировалось приложенным напряжением затвора, которое контролирует захваченную плотность заряда. Кривая потенцирования-снижения (P-D) на фиг. 2F показывает изменение проводимости (обновление веса) в соответствии с количеством приложенных импульсов с идентичной амплитудой и рабочим циклом. Оба V _G и V _D для операции чтения были установлены как 1 В. V _G для потенцирования и депрессии был установлен как -11 В с длительностью импульса 100 мс и 11 В с шириной импульса 10 мкс, соответственно. В результате было обеспечено 32 уровня (5 бит) состояний проводимости. Примечательно, что V _G для потенцирования и депрессии может быть уменьшен путем разработки толщины туннельного оксида и диэлектрической проницаемости блокирующего оксида.

Совместная интеграция нейрона и синапса

Если нейрон и синапс гомотипны, то они могут быть интегрированы в одной плоскости в одно и то же время с одним и тем же устройством.После этого они могут быть соединены металлическими соединениями. Эта коинтеграция демонстрируется для двух уровней нейронной сети. Один из них — это предслой, состоящий из пресинаптического нейрона и переданного синапса. Другой — пост-слой, состоящий из передающего синапса и постсинаптического нейрона. На рис. 3 (от A до C) показан коинтегрированный пресинаптический нейрон и переданный синапс в качестве предварительного слоя. Ссылаясь на принципиальную схему на фиг. 3A, постоянный входной ток ( I, _{дюйм, нейрон} ) подается на электрод стока нейрона, и сток подключается к затвору синапса для подачи выходного напряжения. от пресинаптического нейрона ( В, , _{, пренейрон} ).Обратите внимание, что эта конфигурация использует вышеупомянутую схему ввода-вывода стока. Следовательно, когда происходит всплеск нейрона, соответствующий ток стока ( I _D ) протекает через канал синапса. Его величина модулируется синаптическим весом. На рис. 3В показан изготовленный пресинаптический нейрон и переданный синапс, соединенные между собой посредством металлизации. Как показано на рис. 3C, пиковый выходной ток переданного синапса ( I, _{out, syn} ) был увеличен в соответствии с V _{out, пренейроном} возбужденного пресинаптического нейрона в порядке веса: w ₁ w ₂ w ₃ .Следует отметить, что f из I _{out, syn} был определен нейроном I in. Обратите внимание, что стабильная операция логического вывода разрешена, если толщина туннельного оксида синапса на основе SONOS не уменьшена (рис. S9). Это связано с тем, что синаптический вес не будет изменен В, _{out, пренейрон} , что мало по сравнению с напряжением потенциации / депрессии (P / D). Следовательно, он подходит для приложений обучения вне кристалла, где обучение не требуется на оборудовании.Однако путем разработки В, _{Т, срабатывания} нейрона и толщины туннельного оксида ( Т _ox ) в синапсе, вес передаваемого синапса может быть изменен выходным напряжением пресинаптический нейрон без дополнительных схем импульсной модуляции. Это означает, что это также применимо к приложениям для обучения на кристалле.

Рис. 3. Однокомбинированный однотранзисторный нейрон и синапс.

( A ) Принципиальная схема соединения пресинаптического нейрона и передаваемого синапса в предуровне нейронной сети.Выходное напряжение пресинаптического нейрона ( В, , _{out, пренейрон} ) передается на затвор синапса. ( B ) Изготовленный пресинаптический нейрон и переданный синапс соединены между собой посредством металлизации. ( C ) Измеренный выходной ток синапса ( I _{out, syn} ) как функция синаптического веса. Уровень I _{out, syn} становился выше, когда синаптический вес был больше. ( D ) Принципиальная схема передающего синапса и постсинаптического нейрона на постсинаптическом уровне нейронной сети.Ток передающего синапса прикладывается к источнику постсинаптического нейрона. ( E ) Изготовлены передающий синапс и постсинаптический нейрон, соединенные между собой посредством металлизации. ( F ) Измеренное выходное напряжение нейрона ( В, _{выход, постнейрон} ) как функция синаптического веса. Частота пиков ( f ) V _{out, постнейрон} становился выше, когда синаптический вес был больше.

Чтобы подтвердить применимость к обучению на кристалле, мы увеличили V, _{T, активировав} нейрона до 5.5 В путем увеличения N _{корпуса} до 1 × 10 ¹⁸ см ⁻³ и увеличения L _G до 1,9 мкм. В то же время, когда T _ox синапса уменьшается, вес синапса может быть дополнительно изменен за счет более низкого напряжения. Как показано на рис. S9A, гистерезис увеличивался при тех же условиях напряжения, когда T _ox синапса уменьшалось с 3 до 2 нм. Это означает, что сдвиг большего порогового напряжения ( В, _T ) и изменение проводимости могут быть выполнены при одном и том же напряжении P / D.На рисунке S9B показано, что когда T _ox синапса составлял 2 нм, V _T синапса постепенно сдвигался спайком нейрона. С другой стороны, когда T _ox составляет 3 нм, сдвиг V _T не был значительным, как показано на рис. S9C. Депрессия, при которой проводимость постепенно снижается, произошла из-за всплеска нейронов для T _ox длиной 2 нм, как показано на рис. S9D. Однако проводимость не изменилась значительно для T _ox 3 нм.С точки зрения удерживающих характеристик, T _ox 3 нм был лучше, чем T _ox 2 нм, как показано на рис. S9E. Следовательно, T _ox 3 нм подходит для приложений обучения вне кристалла, которые требуют хороших характеристик удерживания без изменения веса, а T _ox 2 нм подходит для приложений обучения на кристалле, которые требуют изменение веса при более низком напряжении P / D. Следует отметить, что формирование оксида затвора различной толщины уже использовалось для коммерческой логической микросхемы.Вышеупомянутые особенности легко реализуются при изготовлении КМОП. Кстати, на рис. S9D, потому что V _{out, пренейрон} положителен, когда происходит срабатывание. Однако потенцирование также может быть достигнуто при использовании источника ввода / вывода. Когда 0 В подается на сток пресинаптического нейрона и входной ток подается на источник, В, _{на выходе, пренейрон} составляет 0 В в состоянии покоя, и он отрицательный, когда происходит возбуждение, что вызывает потенцирование передаваемый синапс.Следовательно, двунаправленная характеристика однотранзисторного нейрона может допускать как депрессию, так и потенцирование.

На фиг. 3 (от A до C) показан анализ одного пресинаптического нейрона и одного переданного синаптического соединения, когда был зафиксирован I _{in, нейрон} к возбужденному постсинаптическому нейрону. Чтобы показать эффект I _{in, нейрон} с возбуждающей / тормозной функцией в однотранзисторном нейроне, мы построили структуру массива для коинтеграции с высокой плотностью.На рисунке S10 показана матричная структура, в которой были соединены как пресинаптические возбужденные, так и ингибированные нейроны с разными значениями I, _{in, нейрон} и передаваемые синапсы с разной проводимостью (массой). Как показано на рис. S10A, каждый нейрон был связан с четырьмя синапсами с разной массой, и разные нейроны I, , _{дюймов,} применялись к каждому нейрону. Синапсы имеют четыре различных веса ( w ₁ w ₂ w ₃ w ₄ ).Например, возбуждался нейрон от первого до третьего нейрона, в котором электроны были захвачены в слое ловушки заряда, а четвертый нейрон был подавлен, в котором электроны не были захвачены в слое ловушки заряда. Для каждого возбужденного нейрона применялся свой нейрон I, _{дюймов. Более подробно, 500 пА, 1 нА и 5 нА применялись для первого, второго и третьего нейронов соответственно. Наконец, I out, syn переданного синапса был измерен в каждом синапсе.На рисунке S10B показана цветовая карта для представления f I out, syn каждого синапса в массиве. f из I out, syn был выражен с яркостью. Пиксель темного цвета указывает синапс с высоким значением f , а пиксель белого цвета указывает синапс с низким значением f . По мере того, как I in, нейрон , примененный к пресинаптическому нейрону, увеличивался, частота пиков I out, syn увеличивалась.На рисунке S10C показана цветовая карта, представляющая пиковый ток I, in, нейрон каждого синапса в массиве. Пиковый ток нейрона} I, _{дюймов был выражен яркостью. Пиксель темного цвета указывает на синапс с высоким пиковым током, а пиксель белого цвета указывает на синапс с низким пиковым током. По мере увеличения синаптического веса с Вт 1 до Вт 4 пиковый ток I дюйм нейрона увеличивался.Синапсы в первом столбце не показали событий активации независимо от I, in, нейрон пресинаптического нейрона, потому что V T синапса было выше, чем выходное напряжение пресинаптического нейрона. Синапсы в последней строке также не отображали событий активации независимо от синаптического веса. Это потому, что пресинаптический нейрон был подавлен. С другой стороны, любопытно, сколько переданных синапсов может быть коинтегрировано с одним пресинаптическим нейроном.Теоретически можно управлять несколькими передаваемыми синапсами, которые связаны с одним пресинаптическим нейроном. В качестве примера мы смоделировали архитектуру, состоящую из одного пресинаптического нейрона и 100 синапсов, с помощью симулятора цепи SPICE. Ток, протекающий от нейрона к синапсам, ничтожно мал, потому что затвор синапса имеет очень высокое входное сопротивление из-за низкого уровня тока утечки затвора. Следует отметить, что ток утечки затвора изготовленных синапсов был менее 1 пА.Поскольку от нейрона к синапсам не течет постоянный ток, количество передаваемых синапсов, которые могут быть выведены из строя с помощью пренейрона} пресинаптического нейрона V, , не ограничено. В результате V _{out, пренейрон} был инвариантным, хотя 10 синапсов были связаны с одним пресинаптическим нейроном, как показано на рис. S10D. Кроме того, V _{out, пренейрон} не изменялся даже при изменении веса каждого синапса.Это важное преимущество коинтеграции с трехконтактным синапсом на основе MOSFET, таким как SONOS, по сравнению с коинтеграцией с двухконтактным синапсом на основе резистора, таким как мемристор. Из-за эффекта нагрузки количество синапсов неизбежно влияет на выход нейронов, когда соединены двухконцевые синапсы ( 38 , 39 ). Например, колебание нейрона было невозможно, когда количество двухконцевых синапсов с проводимостью ( G ) 1 нСм было больше 10.Это связано с тем, что ток течет к синапсам за счет повышенной проводимости, как показано на рис. S10E. Эта проблема усугубилась для более крупного G , как показано на рис. S10F, потому что по синапсам течет больший ток. Ссылаясь на рис. S10F, когда количество переданных синапсов увеличивалось, ток утечки в сторону синапсов увеличивался, а значение f пресинаптического нейрона уменьшалось. Затем, когда количество синапсов превышало определенный уровень, всплесков не происходило.Чтобы решить эту проблему двухполюсных синапсов, требуется конфигурация 1T1R, состоящая из дополнительного транзистора (1T) и мемристора (1R), или буферной схемы. Однако эти конфигурации приносят в жертву эффективность компоновки, ухудшают сложность изготовления и увеличивают стоимость оборудования. На рис. 3 (D — F) показан коинтегрированный постуровень, состоящий из передающего синапса и постсинаптического нейрона. Как показано на принципиальной схеме на рис. 3D, постоянное напряжение затвора ( В, _{in, syn} ) прикладывается к передающему синапсу, и сток синапса соединяется с источником постсинаптического нейрона. I _{out, syn} , таким образом, применяется к постсинаптическому нейрону. Выходное напряжение измеряется у источника постсинаптического нейрона. Другими словами, он принимает схему ввода-вывода источника. Если выход I _{, синхросигнал} применяется от источника передающего синапса к стоку постсинаптического нейрона (схема ввода-вывода стока), тогда напряжение источника передающего синапса изменяется в зависимости от отклонения выходного сигнала. напряжение постсинаптического нейрона ( В, _{вых, постнейрон} ).В противном случае, если сток передающего синапса подключен к источнику постсинаптического нейрона (схема ввода-вывода источника), то такая проблема смягчается. Эта особенность связана с током насыщения стока, который очень нечувствителен к изменению V _D в области насыщения. На рис. 3Е показан изготовленный передающий синапс и постсинаптический нейрон, соединенные между собой посредством металлизации. Как показано на рис. 3F, f из V _{out, постнейрон} увеличивается в соответствии с приращением I _{out, syn} от передающего синапса в порядке веса: w ₁ w ₂ w ₃ .Другой способ соединения передающего синапса и постсинаптического нейрона предлагается на рис. S11A, где используется токовое зеркало. Текущее зеркало состоит из двух полевых МОП-транзисторов и двух полевых МОП-транзисторов. Поскольку длина канала передающего синапса активно уменьшается, I _{out, syn} не может быть достаточно насыщен эффектами короткого канала, даже в схеме ввода-вывода источника. В этом случае необходимо текущее зеркало между передающим синапсом и постсинаптическим нейроном, которое может изолировать разделяющий узел.Эта конфигурация также привлекательна для модуляции I _{out, syn} в широком диапазоне. Уменьшение I _{out, syn} важно для реализации сверхбольшой интеграции нейроморфной системы, в которой постсинаптический нейрон связан с многочисленными синапсами. Низкий уровень I _в менее 10 мкА, что ниже диапазона тока, в котором произошло защелкивание на рис. 2B, является предпочтительным для номинальной работы однотранзисторного нейрона.Когда значение I, _в превышает 10 мкА, ток течет к источнику без интегрирования заряда. Следовательно, постсинаптический нейрон не работает, когда несколько синапсов связаны. Вышеупомянутые проблемы могут быть решены путем совместной интеграции текущего зеркала между передающим синапсом и постсинаптическим нейроном. На рисунке S11B показан коинтегрированный передающий синапс, текущее зеркало и постсинаптический нейрон, соединенные между собой посредством металлизации.На рисунке S11C показаны измеренные передаточные характеристики изготовленного PMOSFET, а на рис. S11D показывает выходной ток выходного PMOSFET в токовом зеркале. В результате пик постсинаптического нейрона был достигнут, когда он был возбужден, как показано на рис. S11E. В противном случае, когда он был подавлен, всплесков не наблюдалось. В дополнение к токовому зеркалу, которое может использоваться для аналоговой схемы, инвертор, который является фундаментальным блоком для построения цифровой логической схемы, которая управляет нейронной сетью для сбора, обработки и передачи данных, также был изготовлен в той же плоскости с коинтеграцией. нейрона и синапса одновременно, как показано на рис.S12. Текущее зеркало и инвертор являются примерами, демонстрирующими возможность совместной интеграции с аналоговыми и цифровыми схемами.

Распознавание букв с аппаратным моделированием схемы

Нейроморфная система обычно используется для распознавания изображений, таких как буквы, числа, объекты и лица. Распознавание букв было продемонстрировано с помощью моделирования цепей SPICE, основанного на измеренных характеристиках нейронов и синапсов. В качестве простой модели нейрон состоит из порогового переключателя и паразитного конденсатора, соединенных параллельно.В результате смоделированные электрические свойства аналогичны измеренным характеристикам изготовленного нейрона, как показано на рис. S3. Синапс был реализован с помощью трехконтактного полевого МОП-транзистора, и вес синапса контролировался регулировкой V _T . Мы реализовали два типа нейронных сетей: классификатор на основе однослойного персептрона (SLP) и автокодер на основе многослойного персептрона (MLP). Сначала была построена нейронная сеть для классификатора, чтобы различать буквы «n», «v» и «z», которая была составлена ​​из черно-белых пикселей 3 × 3 (рис.5А). Он состоял из девяти входных слоев, помеченных от « i ₁ » до « i ₉ », которые соответствуют каждому пикселю, и трех выходных слоев, помеченных « O _n », « O». _v, »и« O _z », которые соответствуют каждой букве (рис. 5B). Принципиальная схема классификатора представлена ​​на рис. S13. Обратите внимание, что выходные нейроны были соединены друг с другом, чтобы обеспечить латеральное торможение. По выходному напряжению выходных нейронов каждая буква идентифицировалась.Первый всплеск произошел в первом нейроне при вводе n, второй нейрон был на вводе v, а третий нейрон был на вводе z. Следует отметить, что многоступенчатые свойства однотранзисторного нейрона играют важную роль в распознавании паттерна. Во-первых, было подтверждено, что нежелательные всплески подавлялись нейронным ингибированием до достижения V, _{T, срабатывания} , что может повысить энергоэффективность нейронной сети. Во-вторых, было подтверждено, что паттерн был хорошо распознан путем соответствующей настройки V, _{T, срабатывая} , даже если синаптический вес изменился ненормально.Эта функция может повысить надежность нейронной сети.

Рис. 5. Распознавание букв с аппаратным моделированием схемы путем отражения измеренных характеристик однотранзисторного нейрона и синапса.

( A ) Входное изображение буквенного узора размером 3 × 3 пикселя. ( B ) SLP для классификатора и результатов классификации. Каждый входной слой представляет каждый пиксель, а каждый выходной слой представляет каждую букву. Классификация определялась тем, какой нейрон первым проявил спайк.Все остальные нейроны, за исключением первого нейрона с импульсным выходом, подавлялись в латеральном направлении. ( C ) Сеть MLP для автокодировщика и результаты его кодирования / декодирования. Каждый входной слой представляет каждый пиксель входного сигнала с шумами, а каждый выходной слой представляет каждый пиксель восстановленного выходного сигнала автокодировщиком. Активированный выходной нейрон может быть заново декодирован как черный пиксель, а выходной нейрон, который не был запущен, может быть заново декодирован как белый пиксель, чтобы восстановить более четкое изображение из размытого зашумленного рисунка.

Если вес синапса неприемлемо низкий или высокий из-за вызванной процессом изменчивости и проблем с выносливостью, то нейрон не может быть запущен с целевым числом. Например, V, _{T, запускающий} должен быть понижен, если текущий вход в нейрон слишком мал, потому что вес синапса ненормально низкий. В обратном случае, если вес синапса слишком велик, то V, _{T, срабатывание} необходимо увеличить. Это позволяет стабильно поддерживать количество срабатываний нейронов независимо от неидеальных операций синапсов.Чтобы продемонстрировать преимущества свойства порога множественного срабатывания, мы выполнили моделирование схем SPICE. Рассмотрим ситуацию, когда входным шаблоном является n. Первый выходной нейрон должен быть запущен, а другие нейроны должны быть заблокированы перед возбуждением. Однако, когда пороговое напряжение ( В, _T ) синапсов с большим весом, подключенных к первому выходному нейрону, было ненормально увеличено до 0,35 В с 0 В, ток от синапсов к первому выходному нейрону уменьшился. В результате первый выходной нейрон не мог быть запущен, и вместо этого был запущен другой выходной нейрон, как показано на рис.S14A. Следовательно, распознавание образов не удалось. В это время нормального распознавания образов можно добиться, понизив V, _{T, активировав} первого нейрона до 2,6 В, как показано на рис. S14B. В противном случае, когда V _T синапсов с малым весом, подключенных ко второму выходному нейрону, ненормально уменьшилось до -0,1 В с 1 В, ток от синапсов ко второму выходному нейрону увеличился. Как следствие, второй выходной нейрон был активирован заранее к первому выходному нейрону, а первый выходной нейрон был подавлен, как показано на рис.S14C. Следовательно, распознавание образов не удалось. В это время нормального распознавания образов можно добиться, увеличив V, _{T, активировав} второго нейрона до 3,4 В, как показано на рис. S14D. Таким образом, надежное распознавание образов было выполнено путем настройки V, _{T, срабатывания} однотранзисторного нейрона, когда вес синапсов был ненормально изменен. Следует отметить, что для фактической реализации В _{Т требуется дополнительная схема, запускающая настраиваемый однотранзисторный нейрон} , который принимает В _из нейрона для считывания аномальной частоты пиков и передает импульс напряжения. к затвору для тюнинга V _{T, стрельба} .

Для повышения скорости распознавания изображения обычно используется автокодировщик ( 48 ). Автоэнкодер может удалить эффект зашумленного ввода и восстановить изображение путем кодирования изображения и его повторного декодирования. Как показано на рис. 5C, мы реализовали автокодер с использованием сети MLP с одним промежуточным уровнем. Входной и выходной слой состояли из девяти нейронов, и каждый слой представлял каждый пиксель. После кодирования трех букв в первом восприятии информация каждого пикселя была заново декодирована во втором восприятии.Принципиальная схема автокодера представлена ​​на рис. S15. Следует отметить, что тормозящая функция однотранзисторного нейрона позволяла работать автоэнкодеру. Более подробно, средние нейроны были связаны друг с другом, чтобы обеспечить латеральное торможение, и, следовательно, зашумленный сигнал можно было удалить. Получив сигнал от средних нейронов, некоторые выходные нейроны были активированы, а другие не активированы. Активированный выходной нейрон был декодирован как черный пиксель, в то время как неактивный выходной нейрон был декодирован как белый пиксель, как показано на рис.5С. В результате зашумленные входные изображения стали более четкими благодаря реконструкции изображения с помощью автокодировщика.

Распознавание лиц с программным моделированием

Используя аппаратное моделирование схемы, мы реализовали обучение вне кристалла, которое применимо к операции вывода с фиксированными весами синапсов. С другой стороны, обучение на кристалле также возможно с использованием дополнительных схем. С помощью программного моделирования MATLAB была исследована сеть, способная распознавать лица посредством обучения на кристалле.Была спроектирована полностью связанная двухслойная нейронная сеть, состоящая из 32 × 32 входных нейронов, 20 нейронов в среднем слое и 3 выходных нейронов, как показано на рис. 6А. Измеренные характеристики нейрона-синапса были отражены в моделировании на основе принципиальной схемы на рис. 6B. Из базы данных лиц Йельского университета было выбрано девять тренировочных изображений, состоящих из 32 × 32 пикселей (рис. 6C) ( 49 ). После кластеризации из перекладины без присмотра классификация была оценена с помощью перекладины под присмотром.Входные нейроны генерировали пресинаптические спайки ( V _pre ) со временем, пропорциональным интенсивности пикселей тренировочного образа, как показано на рис. S16A. Синапсы, получившие пресинаптические спайки, передавали ток постсинаптическим нейронам в зависимости от веса. Текущее зеркало использовалось в качестве интерфейсной схемы для снижения уровня тока от синапсов к постсинаптическим нейронам. Следует подчеркнуть, что эти схемы для генерации сигналов могут быть объединены в одной плоскости с нейронами и синапсами с помощью стандартных конструкций КМОП.Постсинаптический нейрон, который получил самый высокий ток, вызвал запуск постсинаптических импульсов для обновления синаптических весов синапсов, которые были связаны с активированным постсинаптическим нейроном. Правильная форма постсинаптического спайка ( В, , _{, пост} ) создавалась генератором формы волны, который состоял из импульсного напряжения с последовательной отрицательной и положительной полярностями. Что касается импульсной схемы, показанной на рис. S16A, когда пресинаптический спайк был запущен раньше, чем постсинаптический спайк ( t _до — t _post = Δ t V _LTD ) был применен к воротам синапса, который уменьшился проводимость синапса.С другой стороны, проводимость синапса увеличивалась отрицательным напряжением долгосрочной потенциации ( В, _LTP ), приложенным к воротам синапса, если пресинаптический спайк был запущен позже, чем постсинаптический спайк ( t ). _до — т _после = Δ т > 0) ( 23 ). Для обновления синаптического веса использовалась упрощенная схема правил обучения пластичности, зависящей от времени спайков ( 25 ). Распознавание лиц оценивалось с помощью 24 тестовых изображений, содержащих по 8 изображений каждого человека (рис.S16B). После тренировки определялась проводимость синапсов, как показано на диаграмме визуальной карты массива синапсов (рис. 6D и рис. S16C). В результате уровень распознавания 95,8% был достигнут для «после тренировки с боковым торможением» и ниже 60% наблюдался для «после тренировки без бокового торможения», как показано на рис. 6E. Если не применялось латеральное торможение, высокоуровневое распознавание не выполнялось, потому что глобальные обновления веса выполнялись посредством активации всех задействованных нейронов.Кроме того, хотя проводимость синапсов была ненормально изменена из-за вызванной процессом изменчивости или проблем с выносливостью, отказ распознавания был предотвращен с помощью V _{T, запускающего модуляцию} . На рисунке S16D показана скорость распознавания, извлеченная операцией логического вывода без V _{T, активирующей модуляцию} и с V _{T, запускающую модуляцию} , когда проводимость синапсов ( G ) была аномально изменена процессом. -индуцированная изменчивость или проблемы с выносливостью.Например, можно предположить, что G случайно и ненормально изменено на 2 G _мин . Скорость распознавания была снижена по мере увеличения частоты отказов устройства, если только не применяется модуляция V _{T, срабатывающая} . В противном случае сбой распознавания был бы предотвращен, когда V _{T, срабатывание} было модулированным. Эти результаты доказывают, что эффективная и надежная нейронная сеть может быть реализована с помощью многоступенчатого однотранзисторного нейрона.

Рис. 6. Распознавание лиц с программным моделированием путем отражения измеренных характеристик однотранзисторного нейрона и синапса.

( A ) Пиковая нейронная сеть для распознавания лиц. Входной слой состоит из 1024 нейронов, которые представляют каждый пиксель, средний слой состоит из 20 нейронов, а выходной слой состоит из трех нейронов, которые представляют лицо каждого человека. ( B ) Упрощенная принципиальная схема, представляющая соединение нейрона с синапсом.Выходной сигнал нейронов преобразуется с помощью генератора сигналов для создания импульса правильной формы, применяемого к синапсу для обучения пластичности, зависящей от времени всплеска. ( C ) Девять тренировочных изображений трех человек. ( D ) Визуальная карта массива синапсов для представления проводимости синапсов: «до тренировки», «после тренировки с боковым торможением» и «после тренировки без бокового торможения». ( E ) Сравнение скорости распознавания в зависимости от количества тренировочных эпох между «после тренировки с боковым торможением» и «после тренировки без бокового торможения».«Более высокая скорость распознавания достигается за счет тормозящей функции нейронов. Фото: J.-K. Хан, Корейский передовой институт науки и технологий (KAIST).

Для реализации такой крупномасштабной нейронной сети вариабельность должна быть минимизирована в максимально возможной степени. Поэтому были оценены межцикловые вариации и вариации от устройства к устройству однотранзисторного нейрона и синапса на основе SONOS, как показано на рис. S17. Синие символы обозначают состояние с высоким значением В, _T , что больше электронов захвачено, а черные символы обозначают состояние с низким значением В, _T , что меньше электронов захвачено.Обратите внимание, что более высокое В _T индуцирует более высокое пороговое напряжение срабатывания для нейронного устройства и меньший вес для синаптического устройства. Напротив, более низкое значение В _T вызывает более низкое пороговое напряжение срабатывания для нейронного устройства и более высокий вес для синаптического устройства. Для переключения между двумя состояниями использовался программный импульс 11,5 В с длительностью импульса 500 мкс для захвата электронов, а стирающий импульс -11,5 В с длительностью импульса 50 мс использовался для удаления электронов.Кумулятивное распределение V _T , чтобы показать изменение от цикла к циклу, было построено после 50 циклов на рис. S17A. Его SD для высокого V _T и низкого V _T составляли 0,0103 и 0,0185 соответственно. Эти данные позволяют гарантировать стабильную работу. Другое кумулятивное распределение V _T , чтобы показать изменение от устройства к устройству, также было нанесено на график для 40 различных образцов на рис. S17B. Его SD для высокого V _T и низкого V _T были равны 0.0369 и 0,0428 соответственно. Исходя из этих данных, изменчивость устройства и процесса не может быть проблемой из-за хорошо зарекомендовавшей себя технологии CMOS. Кроме того, была измерена выносливость однотранзисторного нейрона и синапса на базе SONOS. Как показано на рис. S18 охарактеризован сдвиг V _T из-за повторяющихся ловушек в затворных диэлектриках. Такой сдвиг на В, , _{, Т} также должен быть минимизирован как можно меньше, потому что пороговое напряжение срабатывания нейрона и вес синапса могут быть изменены.В противном случае это может спровоцировать снижение скорости обучения и ошибку логического вывода нейронной сети. Для дальнейшего улучшения характеристик износостойкости могут использоваться различные технологии, такие как отжиг под высоким давлением, нитрид с высоким содержанием кремния и разработка запрещенной зоны ( 50 — 52 ).

Теория транзисторов — транзисторы с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом

Вы должны вспомнить из предыдущего обсуждения, что PN-переход с прямым смещением сравнимо с элементом схемы с низким сопротивлением, потому что он пропускает большой ток для заданное напряжение.В свою очередь, PN-переход с обратным смещением сопоставим с высокоомный элемент схемы. Используя формулу закона Ома для мощности ( P = I ² R ) и если ток поддерживается постоянным, можно сделать вывод, что мощность, развиваемая при высоком сопротивлении, больше чем это развивалось при низком сопротивлении. Таким образом, если бы кристалл содержал два PN перехода (один с прямым смещением, а другой с обратным смещением), сигнал малой мощности может быть введен в переход с прямым смещением и генерировать мощный сигнал на обратносмещенном переходе.Таким образом можно было бы получить выигрыш в мощности. через кристалл. Эта концепция является основной теорией того, как транзистор усиливается. Вспомнив эту информацию, давайте перейдем непосредственно к транзистор NPN.

Работа транзистора NPN

Как и в случае диода с PN-переходом, материал N, составляющий две концевые секции транзистора N P N содержат некоторое количество свободных электронов, в то время как центральная секция P содержит избыточное количество отверстий.Акция на каждом перекрестке между этими секциями то же, что и ранее описанное для диода; это, развиваются области истощения и появляется переходной барьер. Использовать транзистор в качестве усилителя каждый из этих переходов должен быть модифицирован некоторым внешним напряжением смещения. Чтобы транзистор мог работать в этой емкости, первый PN переход (переход эмиттер-база) смещен в прямом направлении или с низким сопротивлением. В то же время второй PN переход (переход база-коллектор) смещен в обратном направлении, или с высоким сопротивлением, направление.Простой способ запомнить, как правильно смещать транзистор заключается в наблюдении за элементами NPN или PNP, из которых состоит транзистор. Буквы Эти элементы указывают, какую полярность напряжения использовать для правильного смещения. Например, обратите внимание на транзистор NPN ниже:

1. Излучатель, который является первой буквой в последовательности N PN, подключен к n отрицательная сторона батареи, в то время как основание, которое является второй буквой (N P N), подключается к положительной стороне p .

2. Однако, поскольку второй PN-переход должен иметь обратное смещение для правильного работа транзистора, то коллектор необходимо подключить к напряжению противоположной полярности. ( p ositive), чем указано его буквенным обозначением (NP N ). Напряжение на коллекторе также должно быть более положительным, чем на базе, как показано ниже:

Теперь у нас есть правильно смещенный NPN-транзистор.

Таким образом, база транзистора N P N должна быть p ositive с относительно эмиттера, а коллектор должен быть положительнее базы.

NPN разветвление с прямым смещением

Важный момент, который нужно вынести в то время, о котором не обязательно упоминалось во время объяснения диода, это тот факт, что материал N с одной стороны смещенного в прямом направлении перехода более сильно легирован, чем материал Р. Это приводит к тому, что через соединение проходит больше тока большинством электронов-носителей из материала N, чем дырки-носители из P материал. Следовательно, проводимость через смещенный в прямом направлении переход, как показано на рисунке ниже, это в основном электронов основных носителей заряда из материала N (эмиттер).

Переход в прямом направлении в NPN-транзисторе.

Когда переход эмиттер-база на рисунке смещен в прямом направлении, электроны покидают отрицательную клемму батареи и попадают в материал N (эмиттер). Поскольку электроны являются основными носителями тока в материале N, они легко проходят через через эмиттер пересечь переход и совместить с отверстиями в материале P (основание). Для каждого электрона, заполняющего дырку в материале P, другой электрон покинет материал P (образуя новое отверстие) и войдет в положительный полюс батареи.

Соединение с обратным смещением NPN

Второй PN-переход (база-коллектор), или, как его еще называют, обратносмещенный переход. (рисунок ниже), блокирует пересечение соединения большинством носителей тока. Тем не мение, через это соединение проходит очень слабый ток, о котором говорилось ранее. Этот ток называется током меньшинства или обратным током . Как вы помните, этот ток создавался электронно-дырочными парами. Миноритарные носители PN-переход с обратным смещением — это электронов, в материале P и отверстий, в материале N.Эти неосновные носители фактически проводят ток для обратносмещенный переход, когда электроны из материала P входят в материал N, и отверстия из материала N входят в материал P. Однако меньшинство текущие электроны (как вы увидите позже) играют наиболее важную роль в работа транзистора NPN.

Обратно-смещенный переход в NPN-транзисторе.

На этом этапе вы можете задаться вопросом, почему второе соединение PN (база-коллектор) не работает. прямое смещение, как и первый PN переход (эмиттер-база).Если оба перекрестка были бы смещены вперед, электроны имели бы тенденцию течь из каждого концевой участок транзистора N P N (эмиттер и коллектор) в центральную секцию P (основание). По сути, у нас было бы два переходных диода, обладающих общая база, что исключает любое усиление и сводит на нет цель транзистор. Сейчас уместно сделать одно предостережение. Если тебе следует ошибочно смещает второй PN-переход в прямом направлении, чрезмерное ток может выработать достаточно тепла, чтобы разрушить соединения, в результате чего транзистор бесполезен.Поэтому убедитесь, что полярность напряжения смещения правильная. перед выполнением любых электрических подключений.

NPN Junction Взаимодействие

Теперь мы готовы посмотреть, что произойдет, когда мы разместим два соединения Одновременно работает NPN-транзистор. Для лучшего понимания Чтобы узнать, как эти два соединения работают вместе, во время обсуждения обратитесь к рисунку ниже.

Работа транзистора NPN.

Батареи смещения на этом рисунке имеют маркировку V _CC для коллекторное напряжение питания, и В _BB для базового напряжения.Также обратите внимание на то, что базовая батарея питания довольно мала, на что указывает количество ячеек в батарее, обычно 1 вольт или меньше. Тем не мение, подача коллектора обычно намного выше, чем базовая подача, обычно около 6 вольт. Как вы увидите позже, эта разница в напряжениях питания необходимо, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору.

Как указывалось ранее, ток во внешней цепи всегда обусловлен движению свободных электронов. Следовательно, электроны текут из отрицательной клеммы питающих аккумуляторов к эмиттеру N-типа.Это комбинированное движение электронов известен как эмиттерный ток ( I _E ). Поскольку электроны являются основными носителями в материале N, они будут перемещаться через эмиттер N материала к переходу эмиттер-база. С этим перекрестком вперед смещенные, электроны продолжают движение в базовую область. Как только электроны окажутся внутри основание, которое представляет собой материал P-типа, , теперь они становятся неосновными носителями . Некоторые электроны, перемещающиеся в основание, рекомбинируют с доступными дырками.Для каждого электрона, который рекомбинирует, другой электрон проходит через основание. провод как базовый ток I _B (создание нового отверстия для возможная комбинация) и возвращается в базовую батарею питания В _BB . Электроны, которые рекомбинируют, теряются, что касается коллектора. Следовательно, чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и слегка легированный. Это уменьшает возможность рекомбинации электрона. с дырой и потеряйся.Таким образом, большая часть электронов, которые движутся в базу области попадают под влияние обратного смещения коллектора большой мощности. Это предубеждение действует как прямое смещение для неосновных носителей (электронов) в базе и, как таковое, ускоряет их через соединение база-коллектор и далее в коллектор область. Поскольку коллектор изготовлен из материала N-типа, электроны которые достигают коллектора , снова становятся основными носителями тока . Попадая в коллектор, электроны легко проходят через материал N и возврат к плюсу коллекторной аккумуляторной батареи В _CC как ток коллектора ( I _C ).

Для дальнейшего повышения эффективности транзистора коллектор делается физически больше основания по двум причинам: (1) для увеличения вероятность сбора переносчиков, которые рассеиваются в сторону, а также непосредственно через базовую область и (2), чтобы коллектор мог обрабатывать больше тепла без повреждений.

Таким образом, полный ток в транзисторе NPN проходит через вывод эмиттера. Следовательно, в процентном отношении I _E составляет 100 процентов.На с другой стороны, поскольку основание очень тонкое и слегка легированное, то меньший процент от общего тока (ток эмиттера) будет течь в базе цепи, чем в коллекторной цепи. Обычно не более 2–5 процентов общий ток — это базовый ток ( I _B ), а оставшийся От 95 до 98 процентов составляет ток коллектора ( I _C ). Очень простой существует связь между этими двумя токами:

Проще говоря, это означает, что ток эмиттера разделен на базовый и коллекторный ток.Поскольку количество тока, выходящего из эмиттера, равно исключительно функция смещения эмиттер-база, и поскольку коллектор получает большая часть этого тока, то небольшое изменение смещения эмиттер-база будет иметь гораздо большее влияние на величину тока коллектора, чем на базовый ток. В заключение отметим, что относительно небольшое смещение эмиттер-база управляет относительно большой ток между эмиттером и коллектором.

Работа транзистора PNP

Транзистор PNP работает практически так же, как транзистор NPN.Однако, поскольку эмиттер, база и коллектор в транзисторе PNP сделаны из материалы, которые отличаются от тех, которые используются в транзисторе NPN, другой ток поток носителей в блоке PNP. Большинство носителей тока в транзисторе PNP — это дыры. В этом отличие от NPN-транзистора, где большая часть тока носителями являются электроны. Для поддержки этого другого типа тока (дырочного потока), батареи смещения поменяны местами для транзистора PNP. Типичная предвзятость Настройка для транзистора PNP показана на рисунке ниже.Заметь также применяется процедура, использованная ранее для правильного смещения NPN-транзистора. здесь к транзистору PNP. Первая буква (P) в последовательности P NP указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера ( p ositive), а вторая буква (N) указывает полярность базового напряжения ( n egative). Поскольку переход база-коллектор всегда имеет обратное смещение, то обратное смещение полярность напряжения ( n egative) должна использоваться для коллектора.Таким образом, база транзистора P N P должна быть n относительно к эмиттеру, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база. Помните, как и в случае с NPN-транзистором, эта разница в напряжение питания необходимо для протекания тока (протекание отверстия в корпусе транзистора PNP) от эмиттера к коллектору. Хотя дыра поток является преобладающим типом протекания тока в транзисторе PNP, отверстие поток происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут в внешняя цепь.Однако именно внутренний поток дырок приводит к к потоку электронов во внешних проводах, подключенных к транзистору.

Транзистор PNP с правильным смещением.

Соединение с прямым смещением PNP

Теперь рассмотрим, что происходит, когда переход эмиттер-база в рисунок ниже смещен вперед. При показанной настройке смещения положительный клемма аккумулятора отталкивает эмиттерные отверстия к основанию, в то время как отрицательный вывод направляет базовые электроны к эмиттеру.Когда эмиттерная дырка и базовый электрон встречаются, они объединяются. Для каждого электрона, который соединяется с дыркой, другой электрон покидает отрицательную клемму аккумулятор и входит в базу. При этом электрон уходит эмиттер, создавая новое отверстие, и входит в положительный вывод батарея. Это движение электронов в базу и из эмиттера. составляет базовый ток ( I _B ), и путь этих электронов называют схемой эмиттер-база.

Переход в прямом направлении в транзисторе PNP.

Соединение с обратным смещением PNP

В обратносмещенном переходе (рисунок ниже) отрицательное напряжение на коллекторе и положительное напряжение на базовом блоке основных носителей тока от пересечения перекрестка. Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как прямое смещение для неосновных токовых отверстий в основании, которые пересекают стык и войдите в коллектор. неосновных электронов тока в коллектор также воспринимает прямое смещение — положительное напряжение базы — и перемещается в базу. Отверстия в коллекторе заполнены электронами, которые текут из отрицательной клемма аккумуляторной батареи. При этом электроны покидают отрицательную клемму батареи, другие электроны в основании разрывают свои ковалентные связи и входят в положительный полюс аккумуляторной батареи. Хотя есть только меньшинство текущих потоков в переходе с обратным смещением он все еще очень мал из-за ограниченного количество неосновных носителей тока.

Обратно-смещенный переход в PNP-транзисторе.

Соединение PNP

Взаимодействие между прямыми и обратными смещенными переходами в PNP транзистор очень похож на транзистор NPN, за исключением того, что в PNP транзистор, большинство носителей тока — дырки. В транзисторе PNP, показанном на На рисунке ниже положительное напряжение на эмиттере отталкивает отверстия к основанию. Попав в базу, дырки соединяются с электронами базы.Но опять же, помните, что базовая область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с электроны. Таким образом, более 90 процентов отверстий, которые входят в основание, становятся притягиваются к большому отрицательному коллекторному напряжению и проходят прямо через базу. Однако для каждого электрона и дырки, которые объединяются в основной области, другой электрон уходит с отрицательной клеммы базовой АКБ ( V _BB ) и входит в базу как базовый ток ( I _B ).В то же время электрон уходит с отрицательной клеммы батареи, другой электрон уходит эмиттер как I _E (создание нового отверстия) и входит в положительный вывод В _BB . Между тем в коллекторной цепи электроны из коллекторной батареи ( V _CC ) попадают в коллектор как I _C и совмещаем с лишними отверстиями от основания. Для каждой дырки, нейтрализованной в коллекторе электроном, другой электрон покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительной клемме V _CC .

Работа транзистора PNP.

Хотя ток во внешней цепи PNP-транзистора противоположный по отношению к транзистору NPN, большинство носителей всегда поток от эмиттера к коллектору. Этот поток мажоритарных перевозчиков также приводит к образованию двух отдельных токовых петель внутри каждого транзистор. Одна петля — это путь базового тока, а другая петля — это путь коллектор-ток. Комбинация тока в обоих эти петли ( I _B + I _C ) дают в итоге ток транзистора ( I _E ).Самое главное помнить о двух разных типах транзисторов заключается в том, что эмиттер-база напряжение транзистора PNP имеет такое же управляющее воздействие на коллектор ток как у NPN-транзистора. Проще говоря, увеличение прямое смещение транзистора уменьшает переход эмиттер-база барьер. Это действие позволяет большему количеству носителей добраться до коллектора, вызывая увеличение протекания тока от эмиттера к коллектору и через внешняя цепь. И наоборот, уменьшение напряжения прямого смещения снижает ток коллектора.