Введение 3
Глава 1. Теоретические и практические основы создания полевых транзисторов, условия эксплуатации и перспективы их развития 8
1.1. История создания полевых транзисторов 8
1.2. Классификация полевых транзисторов 10
1.2.1. Транзисторы с управляющим p-n переходом 10
1.2.2. Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) 12
1.2.3. МДП-транзисторы с индуцированным каналом 13
1.2.4. МДП-транзисторы со встроенным каналом 14
1.2.5. МДП-структуры специального назначения 15
1.3. Схемы включения полевых транзисторов 17
1.4. Применение полевых транзисторов 18
1.5. Режимы работы полевых транзисторов 19
1.5.1. Динамический режим работы транзистора 19
1.5.2. Работа транзистора в режиме ключа 20
1.6. Перспективы развития полевых транзисторов 25
1.6.1. Светоизлучающие органические транзисторы 25
1.6.2. Графеновые транзисторы 25
1.6.3. Транзисторы с трёхмерной структурой 26
Глава 2. Теоретические и практические основы проектирования силовых ключей на полевых транзисторах 27
2.1. Электронные ключи на полевых транзисторах 27
2.2. Проектирование и разработка демонстрационного стенда с
использованием полевых транзисторов 33
Заключение 42
Литература 44

Купить

Электронный ключ - основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке.
В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать (включать и выключать) электрические цепи. Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей.
Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов, а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором.
В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов: импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.
Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении высоким КПД и быстродействием.
Определяющим фактором такого прогресса является совершенствование технологии производства транзисторов и микросхем, их микроминиатюризация, в частности на основе полевых транзисторов. Характеристики этих устройств улучшаются год от года, потребляемая мощность снижается. Поэтому изучение физики работы таких приборов, технологии их производства и применения в различных областях является весьма актуальной.
Полевой транзистор (FieldEffectTransistor - FET - англ.) - это полупроводниковый прибор, в котором протекает ток, обусловленный носителями заряда одного типа. Протекание тока в полевом транзисторе осуществляется за счет действия управляющего электрического поля, направление которого перпендикулярно протеканию тока. В силу того, что ток в таких приборах обусловлен носителями одного типа (электронами или дырками), такие приборы называют униполярными (в отличие от биполярных транзисторов). По принципу работы и конструкции полевые транзисторы условно можно разделить на два класса. Первый, это транзисторы с управляющим p-n переходом или переходом металлполупроводник (барьер Шоттки), второй, транзисторы с управлением с помощью изолированного электрода (затвора), так называемые транзисторы МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник). По применению можно выделить четыре основных направления: цифровые устройства и интегральные схемы, для общего применения, использование для создания СВЧ устройств и применение для создания устройств высокой мощности. Технология создания полевых транзисторов включает следующие основные направления:
. VMOS/MESFET/PHEMPT
• FinFET
Идея FET известна уже много лет. Наиболее ранние публикации по этой теме - это идеи Лилиенфилда (1926 г) и Хейла (1935г) - один из наиболее широко используемых типов полевых транзисторов. Это была первая конфигурация полевого транзистора, которая в дальнейшем будет совершенствоваться, что позволит использовать ее во многих областях электроники.
MOSFET - полевой транзистор на основе MOS (MetalOxideSemiconductor - металл-окисел-полупроводник) технологии имеет много преимуществ, как с точки зрения высокого входного сопротивления, так и рабочих характеристик в целом. VMOS (VerticalMetalOxideSemiconductor) - это разновидность мощного полевого транзистора типа MOSFET, он используется в областях, где требуются средние уровни мощности. Термин VMOS также используется, чтобы описать форму V-углубления, которая вертикально внедряется в материал подложки транзистора. Разработка и внедрение транзисторов данной конфигурации дали существенные преимущества по сравнению с применением биполярных транзисторов в различных областях, от мощных источников питания до усилителей и переключателей средней мощности. Они также нашли применение как быстродействующие переключатели в интегральных схемах.
UMOSFET - полевой транзистор на основе МОП технологии, также разновидность мощного полевого транзистора типа MOSFET, по конфигурации он похож на VMOS. Это немного более поздняя разработка по сравнению с VMOS, в которой усовершенствован тот же самый основной принцип со структурой в виде «канавки» ("trench"). Эти транзисторы применяются там, где требуются достаточно высокие мощности в устройствах питания, а также как мощные транзисторы в радиотехнических устройствах. UMOSFET в состоянии обеспечить полезную функцию во многих относительно мощных заявлениях, и в электроснабжении и как транзисторы власти RF или Trenchgate MOS - это также технология "trench", но она обеспечивает значительное улучшение по мощности по сравнению с предыдущими МОП технологиями. Устройства TrenchMOS позволяют разработчикам электроники разработать устройства с более благоприятными условиями теплообмена при более высоких скоростях управления током при тех же самых размерах чипа. FET или MESFET. MESFET (MEtal- SemiconductorFieldEffectTransistor - металл-полупроводниковый полевой транзистор) - высокоэффективная конфигурация полевого транзистора, который используется, главным образом, в области микроволновой техники и усилителях радиодиапазона. Как правило, он изготавливается на основе арсенида галлия (аббревиатура GaAsFET или MESFET - англ.). Эти устройства во многом схожи с FET или JFET, однако значительно их превосходят в области СВЧ, особенно для усилителей СВЧ диапазона. Основное различие между MOSFET и MESFET состоит в применении в MESFET диода с барьером Шоттки вместо оксидного слоя для изоляции затвора от канала. HEMT / PHEMPT (HighElectronMobilityTransistor / PseudomorphicHighElectronMobilityTransistor - транзистор с высокой подвижностью электронов / транзистор с высокой подвижностью электронов с псевдоморфным слоем), также называемый HFET или MODFET, имеет чрезвычайно высокие характеристики в микроволновом диапазоне частот. HEMT обладает сочетанием очень низкого уровня шумов при работе на сверхвысоких частотах. Соответственно, он используется при разработке высокоэффективных СВЧ устройств, где требуется обеспечить низкий уровень шумов. Следующее поколение HEMT известно, как PHEMT, которые весьма активно используются в беспроводной связи и малошумящих усилителях. Транзисторы PHEMT нашли широкое применение благодаря работе при больших мощностях, низких шумах и высоких характеристиках. Это позволяет широко использовать транзисторы PHEMT типа в системах спутниковой связи различного назначения, включая прямую трансляцию телевизионных каналов через спутник, предусилителях, используемых со спутниковыми антеннами. Они также широко используются в общих системах спутниковой связи, а также радарах и микроволновых системах радиосвязи. Технология PHEMT также используется в быстродействующих аналоговых и цифровых интегральных схемах, где требуется чрезвычайно высокая скорость передачи данных. (Fin - ребро) - объемные (3D) полевые транзисторы с несколькими, как правило, тремя затворами, расположенными вокруг кремниевого канала в объемной структуре. Ширина ребер может составлять 10 - 15 нм, высота в идеальном варианте может быть в два или более раз больше. Используется во многих технологиях изготовления интегральных схем для уменьшения размеров элементов и снижения энергопотребления - преимуществ, необходимых для смартфонов, планшетов, мощных процессоров.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка демонстрационного оборудования по дисциплине «силовая электроника» на основе силовых ключей с использованием полевых транзисторов.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы будут решаться следующие задачи:
1. Изучить историю создания и развития полевых транзисторов с помощью анализа технической литературы.
2. Определить основные способы включения полевых транзисторов в качестве силового ключа в радиотехнических схемах.
3. Разработать принципиальную схему демонстрационного стенда с использованием полевых транзисторов и изготовить его.
Практическая значимость выпускной квалификационной работы заключается в том, что:
• разработан и изготовлен демонстрационный стенд с использованием полевых транзисторов;
• демонстрационный стенд может быть использован для испытания электронных устройств, запрограммированных на различные задачи.
Купить