Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
IGBT транзистор
IGBT транзистор
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
Как был изобретен транзистор
Как был изобретен транзистор
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.
Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.
В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.
На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).
Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).
Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.
Успешное вчера
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Проект Gyricon
Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
«Доисторические» времена
Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.
Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.
В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.
На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).
Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).
Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.
Успешное вчера
Успешное вчера
В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие. Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, выполненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23].
Рис. 2. Классификация мощных полевых транзисторов
Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).
Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.
Рис. 3. Горизонтальная структура первых советских мощных МДП-транзисторов
Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию.
Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными.
Полевые транзисторы с их малыми интермодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.
В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под руководством автора данной статьи.
Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных устройств на них [24–26].
Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].
Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей, расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных зарядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.
Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульсном (ключевом) режиме [4–9].
Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков. В 1978 г.
мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20]. По сути дела, это был первый IGBT.
Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
В те далекие времена получение полевых транзисторов с длиной затвора L менее 5 мкм было трудно решаемой технологической проблемой. В то же время уже тогда существующая диффузионная технология позволяла получать тонкие (1 мкм и меньше) слои полупроводника.
Применяя метод двойной диффузии, удалось создать мощные МДП-транзисторы с коротким каналом и слоями металлизации по обе стороны полупроводниковой пластины (рис. 4). Это улучшило теплоотвод и позволило уменьшить сопротивление сток–исток Rси включенного прибора.
Во второй половине 70-х годов появились первые приборы с токами в десятки ампер и Rси
Источник: https://power-e.ru/components/moshhnye-polevye-tranzistory-istoriya-razvitie-i-perspektivy-analiticheskij-obzor/
IGBT транзистор
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
История появления БТИЗ
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT)
На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.
Особенности и сферы применения БТИЗ
Особенности и сферы применения БТИЗ
Отличительные качества IGBT:
- Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
- Имеют низкие потери в открытом состоянии;
- Могут работать при температуре более 1000C;
- Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули
IGBT-модули
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Источник: https://go-radio.ru/igbt-transistor.html
Как был изобретен транзистор
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
Потесненная лампа
До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.
Копия первого в мире работающего транзистора
Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее.
Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых.
Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».
Давние конкуренты
Давние конкуренты
Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.
Транзисторный радиоприемник 1959 года
На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».
Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.
Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год
В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».
Транзисторы в музыке
Транзисторы в музыке
Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.
Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.
Современный макет транзистора Бардина и Браттейна
Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.
При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.
Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.
Источник: https://vmiremusiki.ru/tranzistor.html
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Первая электронная бумага
Проект Gyricon
Проект Gyricon
Разработка первой электронной бумаги началась в исследовательском центре Xerox PARC (Palo Alto Research Centre) в 1970-х. Персональным компьютерам, которыми пользовались работники Xerox, недоставало яркости и контрастности. Из-за этого на них было трудно работать в ярко освещённых помещениях. Сотрудникам центра приходилось гасить свет и задёргивать шторы.
Тогда Xerox PARC поручила нескольким учёным разработать экран, который позволял бы работать при свете. Среди них был Николас Шеридон, будущий изобретатель электронной бумаги Gyricon.
Gyricon переводится с греческого как «вращающееся изображение». В 1974 году Шеридон создал дисплей из тонкого пластика, заполненный маслом и сферами из полиэтилена.
Сферы были чёрно-белые: тёмная половина с положительным зарядом, а светлая с отрицательным. Благодаря электрическому импульсу сферы вращались, поворачиваясь наружу то чёрной, то белой стороной, и на дисплее появлялся тёмный текст на светлом фоне.
Шеридон работал над Gyricon вместе с коллегами. В 90-х он начал подавать заявки на патенты в Европе. Тогда же он встретился с главой исследовательского отдела Xerox. Из разговора с ним Шеридон понял, что Xerox не будет развивать проект, так как центр не занимается разработкой дисплеев.
Проект E Ink
Проект E Ink
Технологией, которая имитировала бы печать на бумаге, занимался ещё один ученый — Джозеф Якобсон, профессор Массачусетского технологического института, MIT. Он нанял двух студентов, Джея-Ди Альберта и Барретта Комиски, чтобы создать электронную книгу.
Разработка Якобсона напоминала Gyricon, но была другой. Команда учёного заменила двухцветные сферы Шеридона на капсулы, заполненные маслом. В них «плавали» частицы пигмента: белые были заряжены положительно, чёрные — отрицательно.
Технология позволяла выводить на экран более чёткое и контрастное изображение, чем Gyricon.
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
В 1997 году MIT помог Якобсону выделить его разработки в отдельный проект и открыть компанию E Ink. В мае 1999 года E Ink представила первый продукт — стенд Immedia. Изображение на стенде можно было дистанционно менять с помощью двустороннего пейджера.
E Ink стала первой компанией, которая показала коммерческий продукт с электронными чернилами, хотя Xerox PARC занималась разработкой более 20 лет.
Технологию использовала сеть американских супермаркетов J.C.Penney. Стенд 1,2 на 1,8 метра и толщиной 3 мм подвешивали под потолком, и он отображал свежую информацию о скидках и специальных предложениях. Цена Immedia варьировалась от $500 до $5000 в зависимости от размера устройства. E Ink поставила J.C. Penney 140 стендов и заработала $150 тысяч.
Позже, в 2009 году, в интервью Joan гендиректор E Ink Рассел Уилкокс признал, что «разработку выпустили раньше времени». Он рассказал, что E Ink «совершенно не поняла потребности рынка».
Компания создала стенд, информацию на котором можно было менять в любой момент, но сотрудники магазинов сказали, что им это не нужно и они меняют вывеску только раз в квартал. Кроме того, не хватало персонала, который бы занимался обновлением цен.
Одновременно Шеридон стремился довести Gyricon до такого уровня, чтобы электронная бумага заменила обычную в делопроизводстве, создать условия для «безбумажного офиса».
К 1998 году учёный достаточно хорошо проработал Gyricon, и новинку можно было продавать. Тогда Шеридон при поддержке Xerox PARC открыл Gyricon Media со штаб-квартирой в Пало-Альто.
Первым коммерческим продуктом Gyricon Media стала бумага SmartPaper, которую сети магазинов использовали для интерактивных ценников. Он представлял собой небольшую панель на алюминиевой подставке.
SmartPaper давала возможность быстро менять цифры на ценниках. Gyricon Media вложила $20 млн в создание SmartPaper и планировала с её помощью завоевать рынок.
Первые потребительские устройства: электронные книги
Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.
Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.
В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.
На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).
Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).
Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.
Успешное вчера
В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие. Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, выполненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23].
Рис. 2. Классификация мощных полевых транзисторов
Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).
Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.
Рис. 3. Горизонтальная структура первых советских мощных МДП-транзисторов
Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию.
Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными.
Полевые транзисторы с их малыми интермодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.
В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под руководством автора данной статьи.
Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных устройств на них [24–26].
Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].
Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей, расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных зарядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.
Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульсном (ключевом) режиме [4–9].
Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков. В 1978 г.
мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20]. По сути дела, это был первый IGBT.
Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
В те далекие времена получение полевых транзисторов с длиной затвора L менее 5 мкм было трудно решаемой технологической проблемой. В то же время уже тогда существующая диффузионная технология позволяла получать тонкие (1 мкм и меньше) слои полупроводника.
Применяя метод двойной диффузии, удалось создать мощные МДП-транзисторы с коротким каналом и слоями металлизации по обе стороны полупроводниковой пластины (рис. 4). Это улучшило теплоотвод и позволило уменьшить сопротивление сток–исток Rси включенного прибора.
Во второй половине 70-х годов появились первые приборы с токами в десятки ампер и Rси
Источник: https://power-e.ru/components/moshhnye-polevye-tranzistory-istoriya-razvitie-i-perspektivy-analiticheskij-obzor/
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT)
На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.
Особенности и сферы применения БТИЗ
Отличительные качества IGBT:
- Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
- Имеют низкие потери в открытом состоянии;
- Могут работать при температуре более 1000C;
- Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Источник: https://go-radio.ru/igbt-transistor.html
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.
Копия первого в мире работающего транзистора
Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее.
Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых.
Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».
Давние конкуренты
Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.
Транзисторный радиоприемник 1959 года
На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».
Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.
Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год
В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».
Транзисторы в музыке
Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.
Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.
Современный макет транзистора Бардина и Браттейна
Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.
При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.
Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.
Источник: https://vmiremusiki.ru/tranzistor.html
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Проект Gyricon
Разработка первой электронной бумаги началась в исследовательском центре Xerox PARC (Palo Alto Research Centre) в 1970-х. Персональным компьютерам, которыми пользовались работники Xerox, недоставало яркости и контрастности. Из-за этого на них было трудно работать в ярко освещённых помещениях. Сотрудникам центра приходилось гасить свет и задёргивать шторы.
Тогда Xerox PARC поручила нескольким учёным разработать экран, который позволял бы работать при свете. Среди них был Николас Шеридон, будущий изобретатель электронной бумаги Gyricon.
Gyricon переводится с греческого как «вращающееся изображение». В 1974 году Шеридон создал дисплей из тонкого пластика, заполненный маслом и сферами из полиэтилена.
Сферы были чёрно-белые: тёмная половина с положительным зарядом, а светлая с отрицательным. Благодаря электрическому импульсу сферы вращались, поворачиваясь наружу то чёрной, то белой стороной, и на дисплее появлялся тёмный текст на светлом фоне.
Шеридон работал над Gyricon вместе с коллегами. В 90-х он начал подавать заявки на патенты в Европе. Тогда же он встретился с главой исследовательского отдела Xerox. Из разговора с ним Шеридон понял, что Xerox не будет развивать проект, так как центр не занимается разработкой дисплеев.
Проект E Ink
Технологией, которая имитировала бы печать на бумаге, занимался ещё один ученый — Джозеф Якобсон, профессор Массачусетского технологического института, MIT. Он нанял двух студентов, Джея-Ди Альберта и Барретта Комиски, чтобы создать электронную книгу.
Разработка Якобсона напоминала Gyricon, но была другой. Команда учёного заменила двухцветные сферы Шеридона на капсулы, заполненные маслом. В них «плавали» частицы пигмента: белые были заряжены положительно, чёрные — отрицательно.
Технология позволяла выводить на экран более чёткое и контрастное изображение, чем Gyricon.
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
В 1997 году MIT помог Якобсону выделить его разработки в отдельный проект и открыть компанию E Ink. В мае 1999 года E Ink представила первый продукт — стенд Immedia. Изображение на стенде можно было дистанционно менять с помощью двустороннего пейджера.
E Ink стала первой компанией, которая показала коммерческий продукт с электронными чернилами, хотя Xerox PARC занималась разработкой более 20 лет.
Технологию использовала сеть американских супермаркетов J.C.Penney. Стенд 1,2 на 1,8 метра и толщиной 3 мм подвешивали под потолком, и он отображал свежую информацию о скидках и специальных предложениях. Цена Immedia варьировалась от $500 до $5000 в зависимости от размера устройства. E Ink поставила J.C. Penney 140 стендов и заработала $150 тысяч.
Позже, в 2009 году, в интервью Joan гендиректор E Ink Рассел Уилкокс признал, что «разработку выпустили раньше времени». Он рассказал, что E Ink «совершенно не поняла потребности рынка».
Компания создала стенд, информацию на котором можно было менять в любой момент, но сотрудники магазинов сказали, что им это не нужно и они меняют вывеску только раз в квартал. Кроме того, не хватало персонала, который бы занимался обновлением цен.
Одновременно Шеридон стремился довести Gyricon до такого уровня, чтобы электронная бумага заменила обычную в делопроизводстве, создать условия для «безбумажного офиса».
К 1998 году учёный достаточно хорошо проработал Gyricon, и новинку можно было продавать. Тогда Шеридон при поддержке Xerox PARC открыл Gyricon Media со штаб-квартирой в Пало-Альто.
Первым коммерческим продуктом Gyricon Media стала бумага SmartPaper, которую сети магазинов использовали для интерактивных ценников. Он представлял собой небольшую панель на алюминиевой подставке.
SmartPaper давала возможность быстро менять цифры на ценниках. Gyricon Media вложила $20 млн в создание SmartPaper и планировала с её помощью завоевать рынок.
Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
«Доисторические» времена
Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.
Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.
В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.
На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).
Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).
Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.
Успешное вчера
Успешное вчера
В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие. Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, выполненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23].
Рис. 2. Классификация мощных полевых транзисторов
Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).
Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.
Рис. 3. Горизонтальная структура первых советских мощных МДП-транзисторов
Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию.
Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными.
Полевые транзисторы с их малыми интермодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.
В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под руководством автора данной статьи.
Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных устройств на них [24–26].
Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].
Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей, расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных зарядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.
Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульсном (ключевом) режиме [4–9].
Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков. В 1978 г.
мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20]. По сути дела, это был первый IGBT.
Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
В те далекие времена получение полевых транзисторов с длиной затвора L менее 5 мкм было трудно решаемой технологической проблемой. В то же время уже тогда существующая диффузионная технология позволяла получать тонкие (1 мкм и меньше) слои полупроводника.
Применяя метод двойной диффузии, удалось создать мощные МДП-транзисторы с коротким каналом и слоями металлизации по обе стороны полупроводниковой пластины (рис. 4). Это улучшило теплоотвод и позволило уменьшить сопротивление сток–исток Rси включенного прибора.
Во второй половине 70-х годов появились первые приборы с токами в десятки ампер и Rси
Источник: https://power-e.ru/components/moshhnye-polevye-tranzistory-istoriya-razvitie-i-perspektivy-analiticheskij-obzor/
IGBT транзистор
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
История появления БТИЗ
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT)
На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.
Особенности и сферы применения БТИЗ
Особенности и сферы применения БТИЗ
Отличительные качества IGBT:
- Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
- Имеют низкие потери в открытом состоянии;
- Могут работать при температуре более 1000C;
- Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули
IGBT-модули
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Источник: https://go-radio.ru/igbt-transistor.html
Как был изобретен транзистор
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
Потесненная лампа
До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.
Копия первого в мире работающего транзистора
Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее.
Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых.
Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».
Давние конкуренты
Давние конкуренты
Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.
Транзисторный радиоприемник 1959 года
На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».
Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.
Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год
В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».
Транзисторы в музыке
Транзисторы в музыке
Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.
Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.
Современный макет транзистора Бардина и Браттейна
Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.
При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.
Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.
Источник: https://vmiremusiki.ru/tranzistor.html
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Первая электронная бумага
Проект Gyricon
Проект Gyricon
Разработка первой электронной бумаги началась в исследовательском центре Xerox PARC (Palo Alto Research Centre) в 1970-х. Персональным компьютерам, которыми пользовались работники Xerox, недоставало яркости и контрастности. Из-за этого на них было трудно работать в ярко освещённых помещениях. Сотрудникам центра приходилось гасить свет и задёргивать шторы.
Тогда Xerox PARC поручила нескольким учёным разработать экран, который позволял бы работать при свете. Среди них был Николас Шеридон, будущий изобретатель электронной бумаги Gyricon.
Gyricon переводится с греческого как «вращающееся изображение». В 1974 году Шеридон создал дисплей из тонкого пластика, заполненный маслом и сферами из полиэтилена.
Сферы были чёрно-белые: тёмная половина с положительным зарядом, а светлая с отрицательным. Благодаря электрическому импульсу сферы вращались, поворачиваясь наружу то чёрной, то белой стороной, и на дисплее появлялся тёмный текст на светлом фоне.
Шеридон работал над Gyricon вместе с коллегами. В 90-х он начал подавать заявки на патенты в Европе. Тогда же он встретился с главой исследовательского отдела Xerox. Из разговора с ним Шеридон понял, что Xerox не будет развивать проект, так как центр не занимается разработкой дисплеев.
Проект E Ink
Проект E Ink
Технологией, которая имитировала бы печать на бумаге, занимался ещё один ученый — Джозеф Якобсон, профессор Массачусетского технологического института, MIT. Он нанял двух студентов, Джея-Ди Альберта и Барретта Комиски, чтобы создать электронную книгу.
Разработка Якобсона напоминала Gyricon, но была другой. Команда учёного заменила двухцветные сферы Шеридона на капсулы, заполненные маслом. В них «плавали» частицы пигмента: белые были заряжены положительно, чёрные — отрицательно.
Технология позволяла выводить на экран более чёткое и контрастное изображение, чем Gyricon.
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
В 1997 году MIT помог Якобсону выделить его разработки в отдельный проект и открыть компанию E Ink. В мае 1999 года E Ink представила первый продукт — стенд Immedia. Изображение на стенде можно было дистанционно менять с помощью двустороннего пейджера.
E Ink стала первой компанией, которая показала коммерческий продукт с электронными чернилами, хотя Xerox PARC занималась разработкой более 20 лет.
Технологию использовала сеть американских супермаркетов J.C.Penney. Стенд 1,2 на 1,8 метра и толщиной 3 мм подвешивали под потолком, и он отображал свежую информацию о скидках и специальных предложениях. Цена Immedia варьировалась от $500 до $5000 в зависимости от размера устройства. E Ink поставила J.C. Penney 140 стендов и заработала $150 тысяч.
Позже, в 2009 году, в интервью Joan гендиректор E Ink Рассел Уилкокс признал, что «разработку выпустили раньше времени». Он рассказал, что E Ink «совершенно не поняла потребности рынка».
Компания создала стенд, информацию на котором можно было менять в любой момент, но сотрудники магазинов сказали, что им это не нужно и они меняют вывеску только раз в квартал. Кроме того, не хватало персонала, который бы занимался обновлением цен.
Одновременно Шеридон стремился довести Gyricon до такого уровня, чтобы электронная бумага заменила обычную в делопроизводстве, создать условия для «безбумажного офиса».
К 1998 году учёный достаточно хорошо проработал Gyricon, и новинку можно было продавать. Тогда Шеридон при поддержке Xerox PARC открыл Gyricon Media со штаб-квартирой в Пало-Альто.
Первым коммерческим продуктом Gyricon Media стала бумага SmartPaper, которую сети магазинов использовали для интерактивных ценников. Он представлял собой небольшую панель на алюминиевой подставке.
SmartPaper давала возможность быстро менять цифры на ценниках. Gyricon Media вложила $20 млн в создание SmartPaper и планировала с её помощью завоевать рынок.
Первые потребительские устройства: электронные книги
Источник: https://uznayvse.ru/interesting-facts/samyie-malenkie-stranyi-mira.html
Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор
Развитие мощных полевых транзисторов носит беспрецедентный характер.
С 70-х годов, когда в СССР были созданы, детально изучены и запущены в серию первые в мире мощные полевые транзисторы, эти приборы превратились из маломощных «недоносков» с высоким входным сопротивлением, во всем остальном уступающих биполярным транзисторам, в мощные приборы с уникально малым (до 0,001 Ом) сопротивлением во включенном состоянии, рабочими токами до 400 А и выше и рабочими напряжениями от десятков до 1200 В.
Приборы имеют высокие динамические показатели и по существу являются специализированными мощными СБИС. Ныне в мире выпускаются многие тысячи типов мощных полевых транзисторов и силовых интегральных схем на их основе. Данный аналитический обзор описывает развитие этих приборов и отражает взгляд автора, принимавшего прямое участие в исследованиях, разработках, внедрении и популяризации этих приборов.
«Доисторические» времена
Каждый современный полупроводниковый прибор наследует свойства своих предшественников, так что грамотный специалист должен учитывать при выборе приборов для построения электронных устройств. В полной мере это относится к крупному классу полупроводниковых приборов — мощным силовым (ключевым) полевым транзисторам. Тем более что некоторые «старые» устройства в ряде применений (например, в сверхскоростных импульсных устройствах) могут превосходить современные.
В конце 20-х годов XX в. Дж. Е. Лилиенфельд подал в США и в Канаде заявку на патент, в котором было предложено управление электрическим током в образце путем воздействия на него поперечного электрического поля. Реализовано устройство не было. Лишь в 1948 г.
Шокли и Пирсон, применив образец из полупроводника, экспериментально подтвердили принципиальную возможность этого способа, но создать прибор они также не смогли. Лишь в 1952 г. Шoкли описал униполярный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Он изменял толщину канала внутри образца из полупроводникового материала, что сняло проблемы, связанные с захватом носителей ловушками на поверхности канала.
В 1960 г. Канг и Аталла предложили использовать для построения полевого транзистора структуру металл–окисел–полупроводник.
На ее основе были созданы MOS (или МОП) полевые транзисторы, у нас часто именуемые MДП-транзисторами (металл–диэлектрик–полупроводник). Изначально это были одиночные дискретные приборы с очень высоким входным сопротивлением (сотни мегаом и выше).
Они имели встроенный (нормально открытые приборы) или индуцированный (нормально закрытые приборы) канал n- или p-типа (рис. 1).
Рис. 1. Обозначения полевых транзисторов: а) с управляющим p-n-переходом; б) МДП с встроенным каналом (нормально открытые); в) с индуцированным каналом (нормально закрытые)
Первые полевые транзисторы были маломощными приборами — рассеиваемая мощность до 100–150 мВт [1]. Их рабочие токи не превышали 10–20 мА, максимальные напряжения на стоке 15–20 В, а времена переключения — доли микросекунды. Сопротивление включенного прибора составляло сотни Ом. Таким образом, на роль силовых приборов они явно не претендовали.
В 1964 г. Зулиг и Тешнер в своих статьях высказали идею о возможности повышения мощности полевых транзисторов путем увеличения числа каналов. Был ясен и другой путь — увеличение ширины канала. Оба варианта в дальнейшем были реализованы на основе микроэлектронных технологий.
Успешное вчера
В 70-х годах XX в. различные типы мощных полевых транзисторов (рис. 2) получили бурное развитие. Окснер в своей книге, в переводе выпущенной в 1985 г. [2], утверждал, что первые промышленные образцы мощных полевых транзисторов появились в 1976 г. Но он не учитывал пионерские работы в СССР, выполненные еще в начале 70-х и отраженные в крупных отраслевых обзорах [3–8], научных статьях [9–21 и др.] и книгах [22, 23].
Рис. 2. Классификация мощных полевых транзисторов
Первые серийные мощные полевые транзисторы были созданы в НИИ «Пульсар» (лаборатория Бачурина В. В.) еще в самом начале 70-х годов прошлого века. В 1974 г. советские серийные мощные полевые транзисторы КП901 (с током стока до 2 А и максимальным напряжением до 65 В) вызывали сенсацию в мире и были удостоены золотой медали на всемирной выставке-ярмарке в Лейпциге.
Эти приборы были с одним горизонтальным каналом сложной структуры (затвор большой ширины в виде змейки) с высокоомным язычком в области стока (рис. 3), позволившим увеличить максимальные рабочие напряжения на стоке до 60–100 В и получить малые емкости (особенно входную).
Вскоре появились самые мощные из этих приборов — транзисторы КП904 [12] с рассеиваемой мощностью 75 Вт, током стока до 7,5 А и отдаваемой на частоте 60 МГц мощностью до 50 Вт. Менее мощные транзисторы КП902 легко обеспечивали уникально малые времена переключения около 1 нс.
Рис. 3. Горизонтальная структура первых советских мощных МДП-транзисторов
Появление именно этих транзисторов не случайно. Это было время, когда в мире вовсю разыгралась холодная война, тучи самолетов и полчища танков и бронемашин участвовали в многочисленных локальных войнах и крупных военных учениях. Каждый танк или самолет имел радиостанцию.
Уровень взаимных помех и наводок от них был столь высок, что радиостанции на биполярных транзисторах в условиях их скученности на местности и поле боя оказались почти неработоспособными.
Полевые транзисторы с их малыми интермодуляционными искажениями обещали устранение этого недостатка.
В комплексном исследовании новых приборов (как отечественных, так и позже зарубежных) и в дальнейших их разработках приняли участие сотрудники кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ под руководством автора данной статьи.
Ранее кафедра детально изучала лавинный режим работы биполярных транзисторов и лавинные транзисторы и внесла известный вклад в создание сверхскоростных импульсных устройств на них [24–26].
Это положительно сказалось на результатах исследования полевых транзисторов и позволило нам обосновать перспективность импульсных и ключевых приборов этого типа [6–10].
Было показано, что многие сильноточные полупроводниковые приборы с инжекционным механизмом управления током (биполярные транзисторы и тиристоры) не могут похвастать хорошими динамическими параметрами из-за медленного механизма инжекции, явления накопления в структуре избыточных зарядов неосновных носителей, расширения базы и падения рабочих частот с ростом тока эмиттера (эффект Кирка) и влияния больших емкостей переходов. Все это ведет к большим временам включения таких приборов. А рассасывание избыточных зарядов приводит к появлению значительных задержек их выключения.
Исследование уже первых советских мощных МДП-транзисторов выявило их уникальные возможности в импульсном (ключевом) режиме [4–9].
Были реально получены времена переключения порядка 1 нс (порою и меньше), причем, как при их включении, так и при выключении. Эти показатели являются рекордными по сей день и перекрыты лишь мощными арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами.
Отсутствие явлений накопления избыточных зарядов неосновных носителей при включении приборов исключало большую задержку выключения.
Мощные МДП-транзисторы были предложены нами как перспективный тип силовых полупроводниковых приборов, хотя их разработки шли вразрез с линией тогдашнего ВПК на развитие приборов для радиопередатчиков. В 1978 г.
мы получили авторское свидетельство СССР на побистор (биполярный транзистор, управляемый от V-MДП-транзистора) [20]. По сути дела, это был первый IGBT.
Стоит отметить, что указанные исследования проводились задолго до появления серийных мощных силовых полевых транзисторов и были экспериментально подтверждены многими уникальными разработками в области схемотехники этих приборов.
Приборы с двойной диффузией и вертикальным каналом
В те далекие времена получение полевых транзисторов с длиной затвора L менее 5 мкм было трудно решаемой технологической проблемой. В то же время уже тогда существующая диффузионная технология позволяла получать тонкие (1 мкм и меньше) слои полупроводника.
Применяя метод двойной диффузии, удалось создать мощные МДП-транзисторы с коротким каналом и слоями металлизации по обе стороны полупроводниковой пластины (рис. 4). Это улучшило теплоотвод и позволило уменьшить сопротивление сток–исток Rси включенного прибора.
Во второй половине 70-х годов появились первые приборы с токами в десятки ампер и Rси
Источник: https://power-e.ru/components/moshhnye-polevye-tranzistory-istoriya-razvitie-i-perspektivy-analiticheskij-obzor/
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
История появления БТИЗ
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах
Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT)
На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.
Особенности и сферы применения БТИЗ
Отличительные качества IGBT:
- Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
- Имеют низкие потери в открытом состоянии;
- Могут работать при температуре более 1000C;
- Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Источник: https://go-radio.ru/igbt-transistor.html
Как был изобретен транзистор
30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике.
Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании.
И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.
Новое изобретение
О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».
Транзисторный магнитофон Комета МГ-209
Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.
Потесненная лампа
До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.
Копия первого в мире работающего транзистора
Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее.
Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых.
Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».
Давние конкуренты
Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.
Транзисторный радиоприемник 1959 года
На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».
Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.
Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год
В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».
Транзисторы в музыке
Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.
Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.
Современный макет транзистора Бардина и Браттейна
Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.
При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.
Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.
Источник: https://vmiremusiki.ru/tranzistor.html
От ценников до смартфонов и цветных ридеров: как развивается технология электронных чернил Материал редакции
Рассказ о принципе работы таких чернил, изобретателях и сферах применения.
Электронные чернила — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Они требуют намного меньше энергии, чем ЖК- и OLED-экраны, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах.
Несмотря на преимущества электронных чернил, в 2010 году заговорили о закате технологии. Но к 2020 году разработчики показали несколько новых устройств, среди них часы и даже смартфоны. Ожидать, что скоро электронные чернила будут использоваться везде, ещё рано.
Первая электронная бумага
Проект Gyricon
Разработка первой электронной бумаги началась в исследовательском центре Xerox PARC (Palo Alto Research Centre) в 1970-х. Персональным компьютерам, которыми пользовались работники Xerox, недоставало яркости и контрастности. Из-за этого на них было трудно работать в ярко освещённых помещениях. Сотрудникам центра приходилось гасить свет и задёргивать шторы.
Тогда Xerox PARC поручила нескольким учёным разработать экран, который позволял бы работать при свете. Среди них был Николас Шеридон, будущий изобретатель электронной бумаги Gyricon.
Gyricon переводится с греческого как «вращающееся изображение». В 1974 году Шеридон создал дисплей из тонкого пластика, заполненный маслом и сферами из полиэтилена.
Сферы были чёрно-белые: тёмная половина с положительным зарядом, а светлая с отрицательным. Благодаря электрическому импульсу сферы вращались, поворачиваясь наружу то чёрной, то белой стороной, и на дисплее появлялся тёмный текст на светлом фоне.
Шеридон работал над Gyricon вместе с коллегами. В 90-х он начал подавать заявки на патенты в Европе. Тогда же он встретился с главой исследовательского отдела Xerox. Из разговора с ним Шеридон понял, что Xerox не будет развивать проект, так как центр не занимается разработкой дисплеев.
Проект E Ink
Технологией, которая имитировала бы печать на бумаге, занимался ещё один ученый — Джозеф Якобсон, профессор Массачусетского технологического института, MIT. Он нанял двух студентов, Джея-Ди Альберта и Барретта Комиски, чтобы создать электронную книгу.
Разработка Якобсона напоминала Gyricon, но была другой. Команда учёного заменила двухцветные сферы Шеридона на капсулы, заполненные маслом. В них «плавали» частицы пигмента: белые были заряжены положительно, чёрные — отрицательно.
Технология позволяла выводить на экран более чёткое и контрастное изображение, чем Gyricon.
Первые коммерческие устройства на электронных чернилах
В 1997 году MIT помог Якобсону выделить его разработки в отдельный проект и открыть компанию E Ink. В мае 1999 года E Ink представила первый продукт — стенд Immedia. Изображение на стенде можно было дистанционно менять с помощью двустороннего пейджера.
E Ink стала первой компанией, которая показала коммерческий продукт с электронными чернилами, хотя Xerox PARC занималась разработкой более 20 лет.
Технологию использовала сеть американских супермаркетов J.C.Penney. Стенд 1,2 на 1,8 метра и толщиной 3 мм подвешивали под потолком, и он отображал свежую информацию о скидках и специальных предложениях. Цена Immedia варьировалась от $500 до $5000 в зависимости от размера устройства. E Ink поставила J.C. Penney 140 стендов и заработала $150 тысяч.
Позже, в 2009 году, в интервью Joan гендиректор E Ink Рассел Уилкокс признал, что «разработку выпустили раньше времени». Он рассказал, что E Ink «совершенно не поняла потребности рынка».
Компания создала стенд, информацию на котором можно было менять в любой момент, но сотрудники магазинов сказали, что им это не нужно и они меняют вывеску только раз в квартал. Кроме того, не хватало персонала, который бы занимался обновлением цен.
Одновременно Шеридон стремился довести Gyricon до такого уровня, чтобы электронная бумага заменила обычную в делопроизводстве, создать условия для «безбумажного офиса».
К 1998 году учёный достаточно хорошо проработал Gyricon, и новинку можно было продавать. Тогда Шеридон при поддержке Xerox PARC открыл Gyricon Media со штаб-квартирой в Пало-Альто.
Первым коммерческим продуктом Gyricon Media стала бумага SmartPaper, которую сети магазинов использовали для интерактивных ценников. Он представлял собой небольшую панель на алюминиевой подставке.
SmartPaper давала возможность быстро менять цифры на ценниках. Gyricon Media вложила $20 млн в создание SmartPaper и планировала с её помощью завоевать рынок.
Первые потребительские устройства: электронные книги
Источник: https://gorodfinansov.ru/ot-tsennikov-do-smartfonov-i-tsvetnyh-riderov-kak-razvivaetsya-tehnologiya-elektronnyh-chernil-material-redaktsii.html
