Каковы основные типы условных обозначений транзисторов на схемах. Как отличить биполярные и полевые транзисторы по их условным обозначениям. Что означают различные элементы в обозначениях транзисторов. Какие особенности имеют обозначения специальных типов транзисторов.
Основные принципы обозначения транзисторов на схемах
Транзисторы играют ключевую роль в современной электронике, поэтому важно уметь правильно читать их условные обозначения на схемах. Рассмотрим основные принципы, которые используются при обозначении транзисторов:
- Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT
- Короткая черта с линией от середины символизирует базу
- Две наклонные линии под углом 60° обозначают эмиттер и коллектор
- Стрелка на эмиттере указывает на тип проводимости базы
- Обозначение часто помещают в кружок, символизирующий корпус
Знание этих базовых принципов позволяет быстро идентифицировать транзисторы на схемах и определять их основные характеристики. Рассмотрим подробнее особенности обозначения различных типов транзисторов.
Обозначение биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы — наиболее распространенный тип. Их условное обозначение на схемах имеет следующие особенности:
- Вертикальная черта символизирует базу
- Две наклонные линии обозначают эмиттер и коллектор
- Стрелка на эмиттере направлена к базе для p-n-p транзистора
- Стрелка направлена от базы для n-p-n транзистора
По направлению стрелки эмиттера можно сразу определить тип проводимости базы и правильную полярность подключения транзистора. Это позволяет избежать ошибок при проектировании схем.
Особенности обозначения полевых транзисторов
Полевые транзисторы имеют отличное от биполярных условное обозначение:
- Вертикальная черта обозначает канал
- Горизонтальная черта сверху или снизу символизирует затвор
- Стрелка на канале указывает тип проводимости
- Для изолированного затвора добавляется разрыв между затвором и каналом
Такое обозначение наглядно показывает принцип работы полевого транзистора и позволяет легко отличить его от биполярного. Это важно при анализе и проектировании схем с различными типами транзисторов.
Обозначение специальных типов транзисторов
Для некоторых специальных типов транзисторов используются дополнительные элементы в условном обозначении:
- Лавинные транзисторы — добавляется символ пробоя между эмиттером и коллектором
- Однопереходные транзисторы — эмиттер подключен к середине базы
- Фототранзисторы — добавляются стрелки, символизирующие падающий свет
- Составные транзисторы — используется обозначение из нескольких транзисторов
Эти дополнительные элементы позволяют однозначно идентифицировать специальные типы транзисторов на схемах и учитывать их особенности при проектировании устройств.
Обозначение транзисторов в составе микросхем
При обозначении транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, применяются некоторые особые правила:
- Используется общий символ корпуса для всей микросхемы
- Транзисторы обозначаются без индивидуальных символов корпуса
- Применяется цифровая нумерация выводов согласно корпусу микросхемы
- Возможно использование буквенного кода DA вместо VT
Такой подход позволяет компактно отобразить сложные схемы с большим количеством транзисторов в составе микросхем. При этом сохраняется возможность идентификации отдельных транзисторов.
Дополнительная информация в обозначениях транзисторов
Для повышения информативности схем в обозначения транзисторов часто добавляют дополнительные данные:
- Тип транзистора (например, КТ315Б)
- Максимальные параметры (напряжение, ток, мощность)
- Обозначение вывода от металлического корпуса
- Условная нумерация выводов
Эта дополнительная информация помогает быстрее ориентироваться в схеме и учитывать особенности конкретных типов транзисторов при проектировании и отладке устройств.
Правила поворота и зеркального отображения обозначений
При оформлении электрических схем иногда требуется поворачивать или зеркально отображать условные обозначения транзисторов. При этом необходимо соблюдать следующие правила:
- Сохранять взаимное расположение выводов транзистора
- Не изменять направление стрелок на эмиттере или канале
- Сохранять положение дополнительных символов (например, знака пробоя)
- При необходимости поворачивать обозначение целиком на 90°, 180° или 270°
Соблюдение этих правил обеспечивает однозначное понимание схемы независимо от ориентации отдельных обозначений. Это особенно важно при работе со сложными многотранзисторными схемами.
Особенности обозначения мощных и высоковольтных транзисторов
Для мощных и высоковольтных транзисторов в обозначениях часто используются дополнительные элементы:
- Двойные линии для коллектора и эмиттера
- Утолщенные линии для базы
- Дополнительный вывод от корпуса (обычно для теплоотвода)
- Указание максимальных параметров рядом с обозначением
Эти особенности позволяют визуально выделить мощные транзисторы на схеме и обратить внимание разработчика на необходимость учета их специфики при проектировании устройства.
Современные тенденции в обозначении транзисторов
В последние годы наметились некоторые новые тенденции в обозначении транзисторов на схемах:
- Использование цветового кодирования для различных типов транзисторов
- Применение трехмерных обозначений в САПР
- Добавление интерактивных элементов в электронные схемы
- Унификация обозначений в рамках международных стандартов
Эти тенденции направлены на повышение наглядности и информативности схем, особенно при работе со сложными электронными устройствами. Однако классические принципы обозначения транзисторов по-прежнему остаются основой для чтения и понимания электрических схем.
Условное обозначение транзисторов на схемах
Транзистор (от английских слов transfer) — переносить и (re)sistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (p или n), базы — противоположная (n или p). Иными словами, биполярный транзистор содержит два р-n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).
Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. 1.
Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор.
Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (см.
рис. 1, VT1), то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р,
а база— типа n, если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная.
Рис.1. Условное обозначение транзисторов
Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа n, обозначают формулой p-n-p, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа p-n-p. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.
Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус.
Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора.
На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с
символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (VT3 на рис. 1). В целях повышения
информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.
Линии электрической связи, идущие от эмиттера и коллектора проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно выводу базы (VT3-VT5). Излом вывода базы допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (VT4).
Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а окружность обозначения корпуса заменяют овалом (рис. 1, VT6).
Стандарт допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например, при изображении бескорпусных транзисторов или когда на схеме необходимо показать
транзисторы, входящие в состав сборки транзисторов или интегральной схемы.
Рис.2. Условное обозначение транзисторных сборок
Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 2 показаны транзисторы структуры n-p-n с тремя и четырьмя эмиттерами).
Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков.
Рис.3. Условное обозначение лавинных транзисторов
Иначе построено обозначение однопереходного транзистора: у него один p-n-переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в обозначении этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 3, VT3, VT4). Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).
На символ однопереходного транзистора похоже обозначение большой группы транзисторов с p-n-переходом, получивших название полевых.
Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n или p-типа.
Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор.
Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине
кружка-корпуса (рис. 4, VT1), символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока.
Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис. 4 условное графическое обозначение VT1 символизирует транзистор с каналом n-типа, VT2 — с каналом p-типа).
Рис.4. Условное обозначение полевых транзисторов
В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока)
электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока. Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с
каналом n-типа, а если в противоположную сторону (см. рис. 4, VT3) — с каналом р-типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки (VT4), а также при
изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха (см.
рис. 4, VT5, VT6). Если подложка соединена с
одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри обозначения без точки (VT7, VT8).
В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (VT9).
Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (см. рис. 4, VT1). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КП303).
Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы. В качестве примера на рис. 5 показаны
условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (VT1, VT2) и без него (VT3). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие
которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов.
Обозначение фототранзистора в этом случае вместе с обозначением излучателя
(обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.
Рис.5. Условное обозначение фототранзисторов и оптронов
Для примера на рис. 5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение U1.1). Аналогично строится обозначение оптрона с составным транзистором (U2).
Радио для всех — Условные обозначения транзисторов
Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор. Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе, то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база— типа п, если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная.
Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа п, обозначают формулой р-п-р, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа р-п-р. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки. В целях повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.
Обозначение Реальный вид
Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельного прибора, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (В этом случае на схеме помещают такую, например, запись:
КЛ-КГ4 К159НТ1, либо используют код аналоговых микросхем (DA) и указывают принадлежность транзисторов в сборке в позиционном обозначении.
У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условную нумерацию, присвоенную выводам корпуса, в котором выполнена матрица.
Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис показаны транзисторы структуры п-р-п с тремя и четырьмя эмиттерами).
Обозначение Реальный вид
Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (VTl, VT2). При повороте УГО положение этого знака должно оставаться неизменным.Иначе построено УГО однопереходного транзистора: у него один р-п- переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в УГО этого водят к середине символа базы. Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).
Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы. Условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (РТ1, VT2) и без него (К73). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. УГО фототранзистора в этом случае вместе с УГО излучателя (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.
Обозначение Реальный вид
Для примера на рис. 8.5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение 1/1.1). Аналогично строится УГО оптрона с составным транзистором (U2).
На символ однопереходного транзистора похоже УГО большой группы транзисторов с pn-переходом, получивших название полевых.
Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n или p-типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор. Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине кружка-корпуса, символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис условное графическое обозначение VT1 символизирует транзистор с каналом n-типа, VT2 с каналом p-типа).
Обозначение Реальный вид
В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока.
Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с каналом n-типа, а если в противоположную сторону — с каналом p-типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки (VT4), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха (VT5, VT6). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри УГО без точки (VT7, VT8).
В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (VT9).
Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (VT1). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КПЗОЗ).
Transistor Transition (редакция Хьюго Гернсбака), февраль 1953 г.
Radio-ElectronicsФевраль 1953 г. Радиоэлектроника [Оглавление]Восковая ностальгия и изучение истории ранней электроники. См. статьи из Радиоэлектроника , опубликовано 1930-1988 гг. Настоящим признаются все авторские права. |
Хьюго Гернсбак был известен
не только за его техническое мастерство, но и за сверхъестественную способность предсказывать будущее развитие
в электронике, транспорте и методах производства. Не прошло и трех лет
с тех пор, как господа Бардин, Шокли и Браттейн объявили об изобретении транзистора
когда эта редакционная статья под названием «Транзисторный переход» появилась в Радиоэлектроника журнал. Гернсбак упоминает концепцию «прикладных схем» (т. Е. Печатных схем).
транзисторные кинескопы (т. е. гибкие дисплеи) и «карманные дисплеи».
радиоприемники», которые можно поднести к уху. Производство
цены на транзисторы в то время составляли около 8 долларов за штуку.
эквивалент с поправкой на инфляцию в размере 76 долларов США в 2018 году. В этой ценовой категории
кто мог обвинить сторонников ламп и транзисторов в том, что они отрицают возможность
транзисторы когда-нибудь заменят лампы? Как мы теперь знаем, затраты быстро снижались, что в итоге привело к
переход от электронных ламп (они же «клапаны») к транзисторам неизбежен. В этом же
выпуска, врезка под названием «Все транзисторные
Телевизионный приемник, показанный RCA». Мяч уже покатился.
От редакции: Transistor Transition
Транзистор скоро будет готов изменить промышленность…
Хьюго Гернсбак
Эволюционный путь радионауки усеян рядом вех. Самый ранний
известный большинству из нас искровой передатчик и когерер «беспроводных» дней,
с помощью которых были отправлены и получены первые коммерческие сигналы. Когерер был вскоре
заменяется кристаллодетектором и другими выпрямляющими устройствами, а искровой передатчик
была частично вытеснена дугой и генератором.
Когда электровакуумная лампа триумфально и революционно вышла на рынок — расширение радио до такой степени, что даже самые смелые его сторонники никогда не предполагали — все эти более ранние устройства были обречены. Сначала в приемниках, а чуть позже в передатчиках, электровакуумная лампа стала верховной, и с 1907 года до настоящего времени доминирует индустрия.
Даже когда телевидение ворвалось на сцену, принеся с собой еще одну новую эру — электронная лампа по-прежнему оставалась важнейшим компонентом телевизионных передатчиков и приемники, уступающие только электронно-лучевому кинескопу (сама вакуумная трубка специального тип).
С недавним появлением транзистора электронные лампы в обозримом будущем будущее будет в затмении, хотя они всегда будут с нами. Транзисторы никогда не будут полностью вытеснить вездесущую электронную лампу.
Скоро наступит время, когда транзистор начнет революцию в радиоэлектронике
промышленность. Это произойдет раньше, чем ожидали даже его изобретатели.
Вскоре после
с появлением транзистора образцы ручной работы продавались по цене около 18 долларов за штуку. Совсем недавно
цена была около $8.00. Это, естественно, только начало. Определенно, что транзисторы,
когда, наконец, начнется массовое производство, они будут продаваться по более низкой цене, чем современные электронные лампы.
По этой причине всем нам в отрасли следует задуматься о том, как транзистор повлияет на и действительно произвели революцию в большинстве областей радиоэлектроники.
Сегодня никто не сомневается, что в будущем радио- и телевизионные приемники будут оснащаться транзисторами;
действительно, эта тенденция определенно будет непреодолимой по многим причинам. Не требующий нагрева
элементы, будет большая экономия электрического тока. Размер радио и телевидения
наборы значительно сократятся. Так же как и их вес, а главное, много
при изготовлении приемников потребуется меньше труда. Таким образом, они могут быть проданы по более низкой цене.
цена, чем в настоящее время.
Транзисторы должны прослужить долго ибо нечему там изнашиваться и там наверное будет меньше замен. Радио и телевизоры не нагреваются везде, как наши современные. Следовательно, такие детали, как резисторы и конденсаторы не будет так склонен к дефектам из-за теплового воздействия. В дополнение к использованию транзисторы, накладные схемы — так называемые печатные схемы — также наверняка использоваться в ближайшем будущем, что еще больше удешевляет такие приемники. Вот вам и современный набор.
Однако в будущем у нас будет много других более важных новых устройств. я ссылаюсь
к мини-радиоприемникам, которые нельзя было экономично производить с электронными лампами. Сейчас
с транзисторами, получающими малый ток от низковольтных батарей, радиоприемники размером
спичечного коробка и меньше, наверняка будут сделаны в будущем. Общественность всегда
проявляли большой интерес к карманным или сумочным радиоприемникам. Выпускаемые серийно, они
может быть продан по очень разумной цене и удовлетворит четкую потребность.
Как наша цивилизация
становится все более сложным, люди, где бы они ни находились, хотят получать мгновенные новости,
сводки времени и погоды, а также другие спецслужбы. Эти станции г.
будущее обеспечит. Такие маленькие карманные радиоприемники нужно просто поднести к уху, чтобы принять
местные радиостанции мгновенно.
Другие минирадио, размером с перьевую ручку, уже предсказанные писателем в Апрельский номер этого журнала 1946 года станет обычным явлением. То же самое относится и к размеру часов. и радиоприемники для наручных часов, а также другие миниатюрные типы персональных приемников. Миллионы будет продан.
Транзисторный телевизионный приемник больше не является предсказанием будущего. Совсем недавно
Радиокорпорация Америки разработала портативный телевизионный приемник,
показали прессе в ноябре прошлого года. По общему признанию, лабораторный трюк — продемонстрировать, что
можно было сделать с помощью транзисторов — в этом приемнике не было вакуумных ламп, но он
имеют обычный тип электронно-лучевого телевизионного кинескопа.
Возникает вопрос: возможно ли будет когда-нибудь создать что-то вроде транзистора? трубка с изображением? Мы считаем, что это определенно относится к сфере будущих возможностей. Если это вызывает сомнения, достаточно изучить человеческий глаз, который, как и транзистор, работает на минимальном количестве электрического тока. Процессы видения, как учёные поддерживать, является электрохимическим. Казалось бы, вполне возможно, что в будущем какие-то такие устройство может быть изготовлено. Его размеры, вероятно, будут намного меньше, чем нынешние. тип электронно-лучевой трубки. Он не может быть больше в любом измерении, чем 2 дюйма. Это означает что это должно быть устройство проекционного типа, выбрасывающее изображение или картинку на небольшой портативный экран, который можно свернуть или сложить, когда нужно просмотреть программу.
Какое место в этой сложной отрасли будущего занимает специалист по обслуживанию? Начать
с, весь технический прогресс постепенен.
Миллионы современных радио и телевидения
комплекты все равно придется обслуживать в течение нескольких десятилетий. Транзисторные наборы будущего
не потребует такого обслуживания, как современные приемники. На
с другой стороны, несомненно, что радиостанций будет в три-пять раз больше.
и телевизоры, как у нас сейчас. Следовательно, даже если процент поломки меньше,
сервисные специалисты все еще будут заняты, пытаясь предоставить адекватное обслуживание
в будущем. По сути, должно быть еще много тысяч сервисов.
техников через двадцать лет, чем мы имеем сейчас, если они хотят не отставать от
работа.
Техник по обслуживанию также должен будет изменить свое мышление и свои методы, когда
речь идет об обслуживании транзисторных приемников. Ему придется полностью перевоспитать себя
к новой тенденции, точно так же, как ему пришлось переориентироваться, когда на сцене появилось телевидение.
В этом он получит огромную пользу. В общем, сервисный техник будущего
будет намного лучше и точнее, чем когда-либо прежде, и мы уверены,
его способности зарабатывать также будут значительно увеличены.
Опубликовано 14 августа 2018 г.
Новаторская оценка транзисторов GaN для геостационарных спутников
- Список журналов
- Научные отчеты
- PMC9334328
науч. респ. 2022; 12: 12886.
Published online 2022 Jul 28. doi: 10.1038/s41598-022-17179-y
, 1 , 1 , 1 , 2 , 2 , 2 , 3 , 4 , 4 , 5 , 5 и 5
Авторская информация Примечания к аспектам и лицензионной информации о сборе
В этом документе мы представляем результаты 6- летний космический эксперимент, в ходе которого изучалось влияние излучения на электронику из нитрида галлия (GaN) на геостационарной орбите.
Четыре GaN-транзистора в конфигурации генератора Колпитца были испытаны на испытательном стенде технологии компонентов на борту телекоммуникационного спутника Alphasat. Был проведен эвристический анализ путем наблюдения за изменением выходной мощности генераторов в зависимости от общей дозы ионизации, полученной во время миссии. Общая ионизирующая доза измерялась с помощью транзисторов с полевым эффектом, чувствительных к излучению (RadFET), расположенных рядом с GaN-устройствами. Эксперимент показал, что GaN является надежной технологией, которую можно использовать в условиях космического излучения на геостационарной орбите. Представленная здесь работа начинается с краткого введения предмета, мотивации и основной цели. Затем следует описание экспериментальной установки, включая детали конструкции генератора и моделирования, а также реализацию испытательного стенда и испытательного стенда технологии компонентов. Наконец, обсуждаются результаты, полученные за 6 лет работы в космосе.
Тематические термины: Аэрокосмическая техника, Электротехника и электроника
В 2012 году был создан консорциум, состоящий из EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratorio de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) и Института Фердинанда Брауна ( FBH) запустил проект, финансируемый Европейским космическим агентством, по разработке нескольких экспериментов на борту телекоммуникационного спутника Alphasat.
Эксперименты были частью полезной нагрузки для демонстрации технологий (TDP-8). Он включал многообещающий новый тип радиочастотного транзистора для космического и военного применения на основе нитрида галлия (GaN). Цель состояла в том, чтобы проверить и изучить возможность использования технологии GaN, произведенной в Европе, в геостационарных спутниках. Если GaN будет успешно работать в космических условиях, европейские производители спутников могут извлечь выгоду из инновационных и высокоэффективных мощных ВЧ-транзисторов и MMIC, работающих на более высоких частотах. В долгосрочной перспективе они могут даже заменить нынешние TWTA (усилители на лампах бегущей волны) и другие технологии на борту спутников.
Эксперимент непрерывно проводился на орбите с 2013 по 2019 год, и это первый эксперимент с GaN на борту геостационарных спутников в Европе. Приведены доказательства способности этой технологии работать в космосе и стать жизнеспособным решением для замены TWTA в будущих спутниковых и космических миссиях (несмотря на более высокое собственное потребление, они потребляют энергию с необходимостью нагревательных резисторов).
Надежность работы в космосе была продемонстрирована при работе GaN-устройств в условиях реального космического излучения. Радиация в космосе представляет опасность для всех систем, поскольку может снизить производительность или даже навсегда нарушить работу. Он состоит из трех частей: галактических космических лучей (ГКЛ), частиц солнечной энергии (SEP) и захваченных частиц. Геостационарная орбита сильно подвержена влиянию всех трех компонентов. В то время как GCR включают в себя постоянный низкий поток высокоэнергетических протонов и тяжелых ионов, которые могут вызывать эффекты одиночного события (SEE), SEP состоят из очень большого потока энергично заряженных частиц, испускаемых Солнцем в стохастических событиях, которые могут обеспечить высокую общую ионизирующую дозу. (TID) в течение короткого периода времени. Пояс Ван Аллана, захватывающий эти частицы, простирается до геостационарной орбиты, а именно в виде внешнего пояса электронов с энергиями до ~ 10 МэВ, который может проникать сквозь экраны космических аппаратов и приводить к высоким уровням ПИВ 1 .
Несмотря на то, что исследования радиационного повреждения GaN все еще находятся на ранней стадии, известно, что основной механизм радиационного ухудшения вызван повреждением смещения от протонов и электронов и однократным выгоранием (SEB) при воздействии излучения тяжелых ионов 2 , 3 , 4 . Присущая устройствам GaN с вентилем Шоттки устойчивость к TID связана с отсутствием контактов металл-оксид-полупроводник (МОП). Таким образом, количество ловушек, генерируемых вблизи электрода затвора, уменьшается. Такие ловушки приводят к влиянию ПТИ на работу устройства (увеличение утечки и сдвиг порогового напряжения) 2 . Повреждение смещения происходит, когда падающая частица сталкивается с ядром атома решетки, передавая достаточно энергии, чтобы сместить его. Смещенные атомы могут образовывать стабильные дефекты или ловушки, что приводит к снижению подвижности, сдвигу порогового напряжения, уменьшению крутизны и уменьшению тока насыщения стока 3 .
SEB возникает, когда падающая частица проходит через область сильного поля в устройстве и, таким образом, вызывает локализованное сильноточное состояние, которое может привести к катастрофическому отказу устройства. Электропроводящие нити могут возникать, например, когда тяжелые ионы проникают через чувствительные области устройства, такие как полевые пластины или конденсаторы MIM 5 . В то время как радиационные наземные испытания являются основой обеспечения радиационной стойкости электронных устройств, высокие ставки космических полетов делают полетные демонстрации критически важной частью разработки технологий, особенно потому, что ни одно оборудование не может полностью воспроизвести космическую радиационную среду и другие физические условия. Представленный здесь эксперимент был направлен на демонстрацию надежности космических устройств GaN в условиях геостационарной орбиты.
Эксперимент был основан на 4 генераторах, работающих на частоте 2,5 ГГц, которые постоянно контролировались во время миссии.
Данные, собранные для анализа, включали напряжение сток-исток ( Vds ), напряжение затвор-исток ( Vgs ), ток сток-исток (Ids), мощность радиочастотного (RF) сигнала, генерируемого генераторами, потребление энергии, температура и TID, которым подвергались компоненты. 6 . TID измеряли с помощью полевых транзисторов, чувствительных к излучению (RadFET), на уровне платы (на печатной плате генератора (PCB)). Полное описание оценки TID можно найти по телефону 7 . Измеренный TID за все время полета составил 3,3 крад.
Полный эксперимент был разработан и реализован консорциумом, включая четыре генератора, которые позволили изучить изменчивость между частями из-за радиационных эффектов. Для выполнения взаимосвязи и управления всеми цепями также была разработана материнская плата. Эта плата питает цепи управления генераторами, измеряет характерные параметры генераторов и связывается с блоком управления сателлитом. Это позволяло независимо включать или выключать каждый из генераторов; он также питал детектор мощности, измерял мощность генератора с учетом теплового эффекта самих диодов измерительного детектора мощности, измерял внутреннюю температуру и уровень излучения, которому он будет подвергаться.
Основные компоненты этой платы более подробно представлены в следующих разделах.
Образцы GaN-транзисторов
GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) представляют собой очень многообещающую технологию для мощных приложений. Их уникальные физические свойства, такие как большая ширина запрещенной зоны (3,4 эВ) и сильное поле пробоя (4 МВ/см), позволяют создавать оптимизированные устройства для микроволновых и миллиметровых волн. Поскольку пробойная способность материала высока, возможны устройства с небольшими расстояниями от истока до стока. Наряду с возможностью иметь высокую плотность тока канала это значительно снижает омические потери в устройстве. Таким образом, GaN позволяет создавать высокоэффективные мощные ВЧ-усилители. Они превосходят своих конкурентов на основе Si, GaAs и SiC по выходной мощности, эффективности и линейности. Таким образом, они представляют большой интерес для космических приложений и позволяют использовать новые высоко инновационные системы, такие как концепции управления лучом, замена ламп бегущей волны и многие другие приложения 9.
0073 8 .
Активные GaN-устройства, выбранные для эксперимента с полезной нагрузкой Alphasat, были спроектированы, выращены и обработаны в Институте Фердинанда Брауна (FBH) в Берлине в рамках проекта сравнительного анализа GaN, финансируемого Европейским космическим агентством (ESA) (контракт № 20328). /06/NL/IA). Они состояли из топологии GaN транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) с двумя пальцами (2 × 50 мкм) с общей шириной затвора 100 мкм и длиной затвора 0,5 мкм. Устройства были реализованы на полуизолирующих подложках SiC с соответствующими эпитаксиальными слоями GaN и AlGaN, оптимизированными для применений в диапазоне от L до X. Транзисторы имели структуру металлизации Schottky T-Gate на основе Pt без полевых пластин и были полностью пассивированы с использованием покрытия SiNx. На рисунке показан дискретный GaN-транзистор, установленный в печатной плате генератора. Периферия устройства была специально разработана для прочного и надежного монтажа, необходимого для космических приложений (пайка чипов и соединение клиньев из алюминиевой проволоки, см.
рис. ). Зондирование S-параметров пластины показало частоту перехода ft=36ГГц и максимальную частоту усиления мощности fmax = 78ГГц при смещении стока 28В. На рабочей частоте 2 ГГц транзисторы достигли плотности мощности 6 Вт/мм.
Открыть в отдельном окне
Фотография GaN-транзистора, установленного на плате генератора. Размеры чипа 660 × 210 мкм 2 .
Плата управления GaN
Плата управления (рис. и ) была разработана с функцией размещения генераторов и датчиков для соединения этих датчиков с протоколом связи для доставки данных на внутреннюю шину спутниковой связи и, наконец, передачи их на наземная наземная станция.
Открыть в отдельном окне
( a ) CTTB, ( b ) Плата управления на CTTB.
В состав платы входят датчики электрического тока, датчики уровня мощности ВЧ, датчики измерения, температуры и уровня радиации; кроме того, генераторы можно отключать по отдельности. Все сигналы должным образом изолированы с помощью буферов, а данные каждого генератора объединяются в единый пакет информации перед передачей в часть испытательного стенда технологии компонентов (CTTB), которая управляет экспериментальными данными.
Эксперимент состоял из трех четко определенных этапов: первый этап состоял в создании функционального прототипа; второй этап — реализация платы, включая финальные осцилляторы; и, наконец, сборка всего оборудования.
Решение о выборе схемы
Первым решением было выбрать тип электрической схемы, которую следует использовать для проверки устройств GaN FET в космосе. Были приняты во внимание несколько типов схем, таких как усилители, смесители или генераторы. Например, оптимальным выбором для бортовых спутников, использующих технологию GaN, могли бы стать усилители, поскольку в будущем такие устройства потенциально могут заменить усилители на лампах бегущей волны (ЛБВВ). Однако высокие значения потребляемой мощности, потребность во внешних источниках сигналов и схемах драйверов для тестирования и, что не менее важно, увеличение массы для эксперимента сделали этот вариант нежизнеспособным для данного эксперимента. ВЧ-генераторы, однако, не нуждаются в дополнительных источниках возбуждения сигнала, что позволяет разместить всю схему и системы ее измерения в одном корпусе, а также уменьшить энергопотребление и массу.
По этой причине выбранной схемой был генератор, поскольку он позволяет интегрировать все датчики на одной плате, оптимизируя мощность, массу и пространство на плате.
Конструкция и реализация генератора
Принятая топология ВЧ-генератора соответствует конфигурации Колпитца и предполагает, что петля обратной связи образована емкостной/резистивной цепью. Индуктор для устройства Колпитца и, следовательно, для резонансной петли выполнен в виде коаксиального резонатора. Схему генератора можно увидеть на рис. , а прототип на рис. .
Поскольку эта схема предназначена для использования в космосе, следует избегать движущихся частей, что ограничивает использование регулируемых компонентов, таких как переменные конденсаторы. Таким образом, был использован коаксиальный резонатор, с точной частотой работы, которая впоследствии определяет частоту колебаний 8 .
Частота, выбранная для работы генератора, составляла 2,5 ГГц, а номинальное напряжение Вds для устройств могло достигать 28 В, но из-за наличия встроенного источника питания постоянного тока напряжение Вds пришлось ограничить до 15 В, а напряжение на затворе поддерживалось на уровне Вгс = 0 В.
Работа GaN-устройств в генераторной среде позволяла возбуждать транзистор с трудом и даже сильнее, чем в традиционном усилителе мощности 4 .
Помимо самого ВЧ-генератора, системная тестовая плата также включала детектор мощности с температурной компенсацией для контроля мощности цепи GaN в космосе. Таким образом, силовой пробник также был разработан и включен перед генератором. Таким образом, вся конфигурация представляла собой полноценную радиочастотную лабораторию в космосе. Выход схемы измерения состоит из двух напряжений постоянного тока, одно из которых соответствует мощности генератора, а другое — калибровочному напряжению для калибровки температуры.
Генератор был изготовлен с использованием подложки Duroid RT6010 и прикреплен к внешнему корпусу с помощью электро- и теплопроводящего клея (ATI-ESP8350). Это было сделано в отсутствие воды, чтобы предотвратить кристаллизацию, которая могла вызвать разрывы и изменение объема. Во избежание трещин из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) материал корпуса имел КТР вблизи одной из подложек, а также хорошие электрические и тепловые свойства.
Кроме того, это должен быть легкий и прочный материал. По всем вышеупомянутым причинам был выбран специальный сплав CE-17, покрытый 10 мкм Ni + и покрытый 1 мкм Au.
Расположение схемы генератора также должно гарантировать изоляцию радиочастот примерно на 40 дБ ниже уровня генерируемого сигнала, чтобы не возникало электромагнитных помех собственным радиосистемам спутников. Поэтому генератор должен был работать в полностью герметизированной клетке Фарадея. Для улучшения теплоотвода чипа и заземления его приклеили непосредственно к корпусу с помощью эпоксидного клея AIT (EG8050). Верхний регистр показан на рис. .
Открыть в отдельном окне
Корпус генератора с поглотителями.
Кроме того, мы также использовали материал, поглощающий радиочастоты, приклеенный внутрь крышки с помощью клея на силиконовой основе (ECCOSORB BSR-2-SS6 M), как показано на рис. . Были проведены циклы тепловых и вакуумных испытаний для изучения температурной зависимости, а также измерена изоляция мощности радиочастотного сигнала в безэховой камере.
В данном разделе обобщены результаты, полученные при эксплуатации разработанных плат на геостационарной орбите в течение 6 лет с июля 2013 г. по апрель 2019 г.. Эксперимент был предназначен для мониторинга влияния полной ионизирующей дозы (TID) от энергично заряженных частиц и циклов космической температуры на выходную мощность GaN-генераторов. На рисунках, представленных ниже, показаны данные, собранные за все время миссии.
На рисунке показано изменение температуры и дозы в зависимости от прошедшего времени. Обратите внимание, что изначально спутник не работал на 100%, работали только некоторые части. Таким образом, с апреля по октябрь 2015 года спутник заработал на 100%, что повысило глобальную температуру. Эту зависимость можно увидеть на рис. Из того же рисунка видно, что доза облучения со временем увеличивается, как и ожидалось.
Открыть в отдельном окне
Изменение температуры и дозы во времени.
На рисунке показано соотношение между каждым генератором относительно его выходной мощности, дозы облучения и температуры.
В целом выходная мощность немного увеличивается при понижении температуры системы, что является ожидаемым поведением 8 . Другим важным аспектом является то, что выходная мощность уменьшается с увеличением дозы облучения, хотя и незначительно, что позволяет сделать вывод о том, что процесс старения и радиация вызывают небольшие изменения в поведении устройства. Все четыре генератора имеют одинаковую картину, генератор 4 имеет 12%, а остальные три генератора имеют изменение примерно на 10% их выходной мощности.
Открыть в отдельном окне
CCTB Входное напряжение всех генераторов в зависимости от времени и дозы для температур от 22 до 25 °C.
Выходная мощность генераторов является функцией входного напряжения (результат уровня выходной мощности генератора с внутренней тепловой коррекцией), температуры и, возможно, полной ионизирующей дозы (TID). На рисунке показано изменение температуры платы CCTB (датчик температуры расположен над датчиком RadFet) и дозы во времени.
Колебания температуры вызваны движением Земли по орбите вокруг Солнца. Значительное повышение средней температуры в 2015 г. связано с работами спутников, которые до настоящего времени выполнялись лишь частично. Поскольку выходная мощность очень чувствительна к температуре, для анализа были рассмотрены только измерения, проведенные в небольшом диапазоне температур от 22 до 25 °C, который достигался в течение всей миссии в течение коротких периодов времени. Входное напряжение было довольно стабильным в течение всей миссии для этих значений температуры, как показано на рис. По этой причине можно предположить, что выходная мощность не изменилась с входным напряжением для этого анализа для каждого генератора.
С учетом измерений, проведенных в температурном интервале от 22 до 25 °C, выходная мощность всех четырех генераторов показана на рис. . Три из четырех генераторов достигают стабильного уровня работы на орбите, обратите внимание, что генератор 4 показывает снижение выходной мощности примерно на 12% в течение первого года работы из-за известной более высокой точки сжатия в производственном процессе.
С другой стороны, этот конкретный осциллятор также имел более высокую начальную выходную мощность. Следует отметить, что все транзисторы были подвергнуты процедуре термического обжига после изготовления и выбраны таким образом, чтобы их характеристики по постоянному току были сопоставимы. Мы предполагаем, что различия в отдельных генераторах связаны с локальными вариациями дисперсионных эффектов на конкретных пластинах, что приводит к несколько разным начальным характеристикам мощности, хотя данные по постоянному току весьма схожи. В то время, когда устройства GaN были предоставлены для этих космических экспериментов, никаких предвзятых процедур прижигания не проводилось. Это, конечно, могло уменьшить наблюдаемую изменчивость. Тем не менее, все генераторы оставались активными до конца миссии с небольшими изменениями их выходной мощности, см. рис. Этот результат важно рассматривать в свете радиационной обстановки, в которой находились устройства. Геостационарная орбита населена в основном электронами, что приводит к высокому TID, но низкой дозе повреждения смещения.
Тот факт, что технология GaN, как известно, более восприимчива к последнему, и тот факт, что измеренное значение TID было не очень высоким (~ 3,3 крад), объясняет, почему не было измерено никаких заметных повреждений компонентов.
Открыть в отдельном окне
Выходная мощность всех генераторов в зависимости от времени и дозы для температур от 22 до 25 °C. Только осциллятор 4 показывает значительное снижение выходной мощности. (В этом случае транзисторы не подвергались комбинированному процессу теплового/электрического старения, поэтому ожидается, что первая часть графика соответствует эффекту выгорания).
В этой статье мы представили результаты 6-летнего эксперимента на борту Alphasat на геостационарной орбите по изучению поведения GaN-технологии в условиях космического излучения. Четыре транзистора GaN в конфигурации генератора Колпитца были установлены на плате прибора CTTB вместе со схемой датчика температуры и RADFET для оценки TID.
Выходная мощность генератора и входное напряжение контролировались для четырех генераторов.
Результаты показали незначительное изменение в трех из осцилляторов. Выходная мощность четвертого генератора снизилась примерно на 12% в течение первого года работы. Тем не менее, все генераторы работали в соответствии со спецификацией на протяжении всего эксперимента. Из этих результатов эксперимент предоставил доказательства, подтверждающие надежность технологии GaN в будущих космических миссиях, по крайней мере, на геостационарной орбите, учитывая, что это электронно-богатая орбита с разумной полной ионизирующей дозой (TID) и низкой дозой повреждения смещения, которая идеально подходит для технологии, которая показала низкую чувствительность к первому.
В этой работе участвует 6 объектов, эта работа была проектом, созданным консорциумом.
Авторы FBH (P.K. и J.W.) отвечали за разработку технологии GaN, лежащей в основе этого эксперимента.
IT и команда Universidade de Aveiro (HM, DMe NC) отвечали за сборку эксперимента и создание необходимых схем для размещения на борту спутника.
Т.С. (EFACEC) отвечала за проведение эксперимента.
А.Б., Ф.Г. и К.П. (ESTEC) отвечали за определение потребностей для этого эксперимента.
Дж.С., М.П. и П.Г. (LIP) отвечали за интерпретацию и оценку окончательных результатов радиации после продолжительности космического эксперимента.
Эта работа финансировалась Европейским космическим агентством Alphasat TDP8.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Примечание издателя
Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
1. Sicard-Piet A, et al. Новая международная геостационарная модель электронов: IGE-2006, от 1 кэВ до 5,2 МэВ. Космическое Веа. 2008;6:7. [Google Scholar]
2. Поляков А.Ю., Пиртон С.Дж., Френцер П., Рен Ф., Лю Л., Ким Дж. Радиационные эффекты в материалах и устройствах GaN. Дж. Матер. хим. С. 2013;1(5):877–887. дои: 10.1039/C2TC00039C. [CrossRef] [Google Scholar]
3.
Pearton SJ, Ren F, Patrick E, Law ME. Обзор воздействия ионизирующего излучения на устройства GaN. ECS J. Науки о твердом теле. Технол. 2016;5(2):35–60. doi: 10.1149/2.0251602jss. [CrossRef] [Google Scholar]
4. Kuboyama S, et al. Единичные повреждения, вызванные тяжелыми ионами, наблюдаемые в HEMT AlGaN/GaN. IEEE транс. Нукл. науч. 2011;58(6):2734–2738. doi: 10.1109/TNS.2011.2171504. [CrossRef] [Google Scholar]
5. Kupsc P, et al. Анализ Microbeam SEE конденсаторов MIM для GaN-усилителей. IEEE транс. Нукл. науч. 2018;65(2):732–738. дои: 10.1109/ТНС.2018.2791564. [CrossRef] [Google Scholar]
6. Mostardinha, H. GaN RF testebed для космических приложений. Семинар по микроволновым технологиям и методикам 2010, ESA-ESTEC Noordwijk, Нидерланды
7. Sampaio JM, et al. Измерения дозы и моделирование отклика RADFET на борту экспериментов Alphasat CTTB. IEEE транс. 2020;67(9):2028–2033. [Google Scholar]
8. Mostardinha, H., et al. Схемы GaN для космических приложений — генераторы 2,5 ГГц и 14 ГГц.
