Транзисторный: транзисторный — это… Что такое транзисторный? — БилдоМан

Содержание

транзисторный — это… Что такое транзисторный?

транзисторный: transistor

Синонимы:

транзистор
транзитивность

Смотреть что такое «транзисторный» в других словарях:

транзисторный — ТРАНЗИСТОР, а, м. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
транзисторный — прил., кол во синонимов: 1 • фототранзисторный (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
транзисторный — на транзисторах переведенный на транзисторы — [http://slovarionline. ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы на транзисторахпереведенный на транзисторы EN transistorized … Справочник технического переводчика
Транзисторный — использующий транзисторы; в середине прошлого века слово транзисторный служило клише указателем на современность и высокое качество: ஐ В новелле Р.Шекли Страж птица ученые США с согласия правительства запускают под облака огромное… … Мир Лема — словарь и путеводитель
транзисторный — прил. 1. соотн. с сущ. транзистор 1., связанный с ним 2. Имеющий в своей основе транзистор 1.. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
транзисторный — транз исторный … Русский орфографический словарь
транзисторный — см. транзистор; ая, ое. Транзи/сторный цех. Транзи/сторный приёмник, магнитофон … Словарь многих выражений
транзисторный — транзистор/н/ый … Морфемно-орфографический словарь
транзисторный гиратор — — [Я. Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN transistor gyrator … Справочник технического переводчика
транзисторный ключ — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN transistor switch … Справочник технического переводчика
транзисторный умножитель добротности — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN transistor Q multiplier … Справочник технического переводчика

Книги

Занимательная электроника. Электронные схемы, Танака Кэнъити. Электронные схемы основаны на обычных электрических цепях, однако, в отличие от последних, содержат полупроводниковые элементы, такие как диоды, транзисторы, а по мере усложнения превращаются… Подробнее Купить за 975 грн (только Украина)

Занимательная электроника Электронные схемы Манга, Кэнъити Т. . Электронные схемы основаны на обычных электрических цепях, однако, в отличие от последних, содержат полупроводниковые элементы, такие как диоды, транзисторы, а по мере усложнения превращаются… Подробнее Купить за 923 руб
Манга. Занимательная электроника. Электронные схемы, Танака Кэнъити. Электронные схемы основаны на обычных электрических цепях, однако, в отличие от последних, содержат полупроводниковые элементы, такие как диоды, транзисторы, а по мере усложнения превращаются… Подробнее Купить за 841 грн (только Украина)

Другие книги по запросу «транзисторный» >>

Что такое транзисторный усилитель?

Транзисторный усилитель — это электронная схема, которая использует полупроводниковый транзистор вместо ламповой или интегральной микросхемы для усиления электрических сигналов. Обычно используемый в аудиоприложениях, транзисторный усилитель обеспечивает отличные характеристики в относительно небольшом корпусе. Он в значительной степени заменил усилитель сигнала вакуумной трубки и остается сильным конкурентом более современному интегральному микросхеме (ИС).

До изобретения транзистора в 1947 году в усилителях использовались вакуумные лампы. Вакуумные трубки были большими, громоздкими, хрупкими и неэффективными, и им требовалось время для разогрева. Транзисторы устранили все эти проблемы, предлагая при этом возможность усиления сигналов с гораздо меньшими искажениями. Кроме того, они смогли выводить более мощные сигналы, позволяя некоторым транзисторным усилителям выводить сотни ватт на канал. Их небольшой размер и низкое энергопотребление также сделали возможным создание портативных аудиокомпонентов на батарейках, таких как транзисторные радиоприемники.

Структура схемы транзисторного усилителя относительно проста. В нем источник питания подключен к клемме коллектора транзистора, а сигнал, который должен быть усилен, поступает на базовую клемму. Транзистор использует сигнал на базе, чтобы определить, сколько энергии от коллектора протекает через его затвор к выводу эмиттера, который передает усиленный сигнал. Если сравнивать транзистор с краном-краном, то коллектором будет труба подачи, а источником будет то место, где выходит вода, а основанием будет рука, которая включает, выключает втулку или где-то посередине.

Усилители, использующие микросхемы, начали заменять транзисторный усилитель в 1960-х годах. Микросхема объединила несколько электронных компонентов в один маленький кусочек кремния, что позволяет ему делать больше в гораздо меньшем пространстве. Плохое качество звука и очень ограниченные возможности выходной мощности мучают эти типы усилителей. Однако за прошедшие годы технология улучшилась настолько, что большинство портативных и недорогих компонентов домашнего аудио используют усилители интегральных схем.

Даже при использовании недорогих микросхем многие компоненты домашнего аудио все еще используют транзисторные усилители, хотя их часто называют дискретными усилителями. Этот тип схемы более распространен в усилителях мощности и на конечном выходном каскаде усилителей, которые принимают сигнал линейного уровня от предварительного усилителя и усиливают его для вывода на динамики. Некоторые компоненты высокого класса и предусилители также используют транзисторные усилители.

В любом случае в этих схемах усилителей в качестве источника усиления используются полевые транзисторы на основе оксидов металлов (MOSFET).

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Transistor | Загружаемые программы Nintendo Switch | Игры

Важная информация

Данный контент продается компанией Nintendo of Europe GmbH. Оплата будет произведена средствами Nintendo eShop, используемыми с учетной записью Nintendo, которая использовалась для совершения покупки.

Данный контент продается компанией Nintendo of Europe GmbH. Оплата производится средствами Nintendo eShop, используемыми с учетной записью Nintendo. При покупке данного контента действует Соглашение об учетной записи Nintendo.

Данный контент могут приобрести пользователи, которые зарегистрировали учетную запись Nintendo, а также приняли соответствующие юридические соглашения. Для покупки контента для Wii U или систем линейки Nintendo 3DS также требуется код Nintendo Network.

Кроме того, ваши средства, используемые с учетной записью Nintendo, должны быть объединены со средствами, привязанными к коду Nintendo Network. Если средства еще не объединены, вы сможете сделать это во время процесса покупки. Перед началом покупки необходимо войти на веб-сайт с помощью учетной записи Nintendo и кода Nintendo Network. После этого можно просматривать информацию об играх и совершать покупки.

Для покупки контента для Wii U или систем линейки Nintendo 3DS ваши средства, используемые с учетной записью Nintendo, должны быть объединены со средствами, привязанными к коду Nintendo Network. Если средства еще не объединены, вы сможете сделать это во время процесса покупки. Вы сможете просмотреть подробности и завершить покупку на следующем экране.

Данное предложение действует для пользователей, которые вошли на веб-сайт с помощью учетной записи Nintendo, настройки страны которой совпадают с настройками страны этого веб-сайта. Если настройки страны вашей учетной записи Nintendo отличаются, данное предложение может быть изменено (например, цена будет отображаться в соответствующей местной валюте).

После обработки платежа контент будет загружен на консоль, связанную с вашей учетной записью Nintendo или с вашим кодом Nintendo Network в случае с Wii U или системами линейки Nintendo 3DS. На системе должно быть установлено последнее системное обновление и активирована функция автоматической загрузки. Система должна быть подключена к Интернету, и на ней должно быть достаточно свободного места. В зависимости от модели вашей игровой системы или консоли и степени ее использования может потребоваться дополнительное запоминающее устройство, чтобы загрузить программу из Nintendo eShop. Подробную информацию см. в разделе

«Поддержка».

Для игр, в которых используется облачная потоковая технология, можно загрузить лишь бесплатное приложение для запуска.

Пожалуйста, убедитесь, что на вашей системе достаточно свободного места, чтобы завершить загрузку.

Конкретная цена отображается в зависимости от страны, указанной в настройках вашей учетной записи Nintendo.

При покупке данного контента действует Соглашение об учетной записи Nintendo.

О предзаказах

Использование неразрешенных устройств или программ, позволяющих выполнить техническую модификацию консоли Nintendo или программы, может привести к невозможности играть в эту игру.

Данный товар содержит в себе средства технической защиты.

В контент невозможно играть до даты выпуска: {{releaseDate}} . Средства за предзаказ будут автоматически списаны не ранее чем за 7 дней до выхода игры. Если вы оформите предзаказ менее чем за 7 дней до выхода игры, то средства будут списаны сразу после покупки.

Транзисторный усилитель с параллельным управлением

Изобретение относится к технике полупроводниковых усилителей электрических сигналов в том числе усилителей мощности звуковой частоты.

Из предыдущего уровня техники известен усилитель класса А с параллельным управлением на полевых транзисторах с изолированным затвором, который содержит два одинаковых транзистора, резистор, включенный между стоком нижнего по схеме транзистора и истоком верхнего транзистора и цепи смещения, определяющие режим работы усилителя, http://http.7/http://www.tubecad. com/index_files/page0023.htm.

Наиболее близким к предлагаемому является усилитель класса А с параллельным управлением, содержащий два одинаковых транзистора, включенных по питанию последовательно: нижний транзистор, на базу которого подается входной сигнал и верхний транзистор, к эмиттеру которого подключена нагрузка усилителя. Усилитель содержит также датчик тока — резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, и источник опорного напряжения — два диода, включенных в прямом направлении между коллектором нижнего транзистора и базой верхнего транзистора — определяющий режим работы усилителя по постоянному току. Ток стока нижнего транзистора создает на резисторе падение напряжения. Разность опорного напряжения и напряжения, падающего на резисторе, является управляющим напряжением для верхнего транзистора. http://www.tubecad.com/2004/blog0016.htm.

Недостатком известных усилителей с параллельным управлением является значительный уровень нелинейных и интермодуляционных искажений, недостаточно высокий КПД.

Задача, на решение которой направлено изобретение заключается в снижении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов и повышении КПД транзисторного усилителя.

Поставленная задача решается за счет того, что в усилителе класса А с параллельным управлением, содержащем два одинаковых транзистора, резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, а также источник напряжения, включенный между коллектором нижнего транзистора и базой верхнего транзистора, резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, заменен двухполюсником, для которого функция, выражающая зависимость между током и падением напряжения, является обратной по отношению к функции, выражающей передаточную характеристику входное напряжение — ток коллектора нижнего транзистора.

Двухполюсник, имеющий необходимую зависимость ток-падение напряжения, содержит транзистор, идентичный используемым в усилителе транзисторам, между коллектором и базой которого включен дополнительный источник напряжения, величина и полярность которого обеспечивает работу транзистора двухполюсника на прямолинейном участке выходной характеристики.

Усилитель может быть выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором.

Усилитель может быть выполнен на полевых транзисторах с р-n переходом.

Двухполюсник может быть составлен из одной или нескольких параллельно включенных цепочек, каждая из которых содержит один или несколько диодов и резистор, которые включены последовательно, причем результирующая характеристика ток-напряжение такого двухполюсника близка к обратной функции, выражающей передаточную характеристику входного транзистора. Этот подход выражает идею кусочной аппроксимации требуемой нелинейной характеристики.

Для оптимизации работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включается резистор относительно большой величины, который изменяет только начальный участок характеристики ток — напряжение двухполюсника.

Для снижения нелинейных искажений и повышения КПД в усилитель вводится цепь отрицательной обратной связи, охватывающая преимущественно и предварительный усилитель.

Для повышения энергетической эффективности усилитель переводится в режим работы, отличный от режима А, который характеризуется отсечкой тока верхнего транзистора.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов, повышении КПД усилителя.

Изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг.1 — электрическая схема усилителя на биполярных транзисторах.

На фиг.2 — электрическая схема усилителя на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET).

На фиг.3 — графики зависимости падения напряжения на транзисторе двухполюсника и резисторах с разным сопротивлением (RA<Rb) от входного напряжения усилителя.

На фиг.4 — графики зависимости управляющего напряжения верхнего транзистора от входного напряжения усилителя.

На фиг.5 — графики токов транзисторов и выходного тока усилителя.

На фиг.6 — графики напряжений и токов в усилителе для режима А при синусоидальном входном воздействии.

На фиг.7 — графики напряжений и токов в усилителе для режима, отличного от режима А при синусоидальном входном воздействии.

Усилитель с последовательным управлением содержит нижний транзистор 1, верхний транзистор 2, двухполюсник на транзисторе 3, источник постоянного напряжения 4 (фиг.1), причем коллектор нижнего транзистора 1 соединен с эмиттером транзистора двухполюсника 3, между коллектором и базой транзистора 3 включен дополнительный источник напряжения 5, коллектор транзистора 3 соединен с эмиттером верхнего транзистора 2, между коллектором транзистора 1 и базой транзистора 2 включен источник постоянного напряжения 4, входной сигнал подается на базу нижнего транзистора 1, а выходной сигнал снимается с эмиттера верхнего транзистора 2. Двухполюсник, состоящий из транзистора 3 и источника напряжения 5, выделенный штриховой линией, имеет характеристику ток — падение напряжения, близкую к функции, обратной по отношению к передаточной характеристике транзистора 1.

Двухполюсник на транзисторе 3 заменяется одной или несколькими параллельно включенными диодно-резисторными цепочками, дающими суммарную характеристику ток — напряжение, близкую к функции, являющейся обратной по отношению к передаточной функции транзистора 1.

Для улучшения работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включен резистор 6 относительно большой величины, изменяющий начальный участок характеристики ток — напряжение двухполюсника.

Для достижения более высокой линейности в усилитель вводится цепь отрицательной обратной связи, охватывающая преимущественно и предварительный усилитель.

Усилитель для повышения КПД переводится в режим, отличный от режима класса А, с отсечкой тока транзистора 2.

Устройство работает следующим образом.

Варианты усилителя, выполненные на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах, не имеют существенных отличий в работе. Дальнейшее описание относится к усилителю на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET). Усилитель на полевых транзисторах с изолированным затвором (фиг.2) имеет топологию, аналогичную изображенной на фиг.1.

Дополнительный источник напряжения 5 исключен. Для улучшения работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включен резистор 6 относительно большого номинала, так, что его включение изменяет только начальный участок характеристики ток — падение напряжения двухполюсника (штрихпунктирная линия на фиг.3).

Режим работы усилителя определяется входным напряжением U0 и током покоя 10. Этот режим определяется величиной напряжения источника 4. Управляющее напряжение транзистора 2 равно разности напряжения источника 4 и падения напряжения на транзисторе 3. Падение напряжения на транзисторе 3 является функцией тока стока транзистора 1. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток для полевых транзисторов не является линейной, на активном участке передаточной характеристики эта зависимость во многих случаях близка к квадратичной. В случае использования вместо транзистора 3 резистора, как в прототипе, управляющее напряжение транзистора 2 также будет иметь квадратичную составляющую, наличие которой приводит к дополнительным искажениям и ограничению тока, который транзистор 2 может отдать в нагрузку.

На графиках фиг.3 приведены зависимости падения напряжения на резисторах разной величины (R_a<R_b) и транзисторе 3, от входного напряжения усилителя. График, соответствующий транзистору 3 сдвинут по вертикальной оси на величину напряжения отсечки транзистора 3, так как при протекании тока через полевой транзистор напряжение на его затворе не может быть меньше, чем напряжение отсечки. Ток, протекающий через резистор 6, изменяет начальный участок графика. Сдвиг характеристики ток — напряжение обеспечивает запас по напряжению управления верхнего транзистора 2, что необходимо для нормальной работы усилителя при малых токах покоя.

На фиг.4 приведены зависимости управляющего напряжения транзистора 2 от входного напряжения для двух разных резисторов (R_a<R_b) и транзистора 3. Все три кривые для наглядности проходят через точку Р, это достигается выбором величины напряжения источника 4. В случае применения резисторов в точках А и В происходит запирание (отсечка тока) транзистора 2, а точками А1 и В1 ограничивается максимальное управляющее напряжение транзистора 2. В случае применения транзистора 3 управляющее напряжение транзистора 2 зависит от входного напряжения линейно (с отрицательным наклоном), а диапазон линейно усиливаемых входных сигналов максимальный.

Ток стока полевых транзисторов мало зависит от напряжения затвор-исток. Поэтому зависимости тока стока транзистора 1 Il=f(U_вх) и падения напряжения на транзисторе 3 I1=φ(I1) являются взаимно обратными функциями. Вследствие этого U3=U_вх. График для транзистора 3 на фиг.3 и фиг.4 является прямой линией.

В случае одинаковых передаточных характеристик всех транзисторов усилителя, близких к квадратичной, зависимость тока нагрузки, равного разности токов транзисторов 1 и 2 от приращения входного сигнала, является линейной:

I_вых=I(U₀+ΔU)- I(U₀+ΔU)=2AΔU.

Здесь коэффициент А зависит от крутизны передаточной характеристики используемых транзисторов. Данная линейная зависимость сохраняется во всем диапазоне рабочих температур усилителя при условии равенства температур кристаллов транзисторов.

Распределение токов в усилителе показано на фиг.5. Здесь показаны графики токов транзисторов 1 и 2 (11, 12) и выходного тока усилителя (I_вых). Из графиков фиг.5 и расчетов следует, что максимальный выходной ток усилителя в линейном режиме класса А равен четырехкратному току покоя. При синусоидальном входном сигнале максимальный КПД усилителя в этом режиме теоретически равен 66,6%.

Для достижения более высоких значений КПД усилитель переводится в режим работы, отличный от режима класса А. В этом режиме транзистор 1 работает без отсечки тока, а транзистор 2 входит в режим отсечки плавно. Гармоники высших порядков в выходном токе при этом незначительны. Для работы в этом режиме в усилитель должна быть введена цепь отрицательной обратной связи, которая преимущественно охватывает и предварительный усилитель.

На фиг.3 напряжения U1, U2 и U3 соответствуют максимальной величине напряжения AU, которое при работе усилителя может подаваться на затвор транзистора 2. При напряжении U0, близком к напряжению отсечки транзистора (что соответствует малым токам покоя), напряжения U1 и U2 малы, поэтому ток, который может отдать в нагрузку верхний транзистор 2, тоже мал. Следовательно, усилитель — прототип в режиме малых токов покоя работать не может даже при наличии обратной связи. Усилитель с двухполюсником на транзисторе 3 при наличии обратной связи работоспособен даже при токе покоя, который соответствует участку характеристики, обозначенному на фиг.3 штриховой линией.

Графики напряжений и токов в усилителе при синусоидальном входном воздействии для режима класса А приведены на фиг.6:

А — входное напряжение усилителя;

В — ток стока транзистора 1;

С — ток стока транзистора 2;

D — выходное напряжение усилителя при сопротивлении нагрузки равном 8 Ом.

Графики напряжений и токов в усилителе при синусоидальном входном сигнале для режима отличного от режима А приведены на фиг.7:

А — входное напряжение усилителя;

В — ток стока транзистора 1;

С — ток стока транзистора 2;

D — выходное напряжение усилителя при сопротивление нагрузки, равном 8 Ом.

На графиках В и С (фиг.6 и фиг.7) вся шкала по вертикали соответствует току 3 А. Шкала по горизонтали соответствует 100 микросекундам. Графики фиг.6 и фиг.7 для достижения точности построены с помощью симулятора.

Из графиков фиг.7 следует, что при работе усилителя в режиме, отличном от режима А, входной сигнал отличается от синусоидального. Эти предыскажения возникают автоматически при введении отрицательной обратной связи, охватывающей преимущественно и предварительный усилитель. В данном случае наличие предыскажений сигнала, поступающего на затвор входного транзистора 1, является необходимым для нормальной работы усилителя. Графики напряжений в характерных точках усилителя и токов транзисторов 1 и 2, а также их первые производные по времени не имеют разрывов. Поэтому переходные искажения в усилителе отсутствуют.

Таким образом, заявленная схема усилителя позволяет уменьшить нелинейные и интермодуляционные искажения, ограничить спектр искажений преимущественно низшими гармониками, расширить динамический диапазон входных сигналов, повысить энергетическую эффективность усилителя.

Транзисторные технологии будущего — «ИТ-ГРАД»

Закон Мура начинает терять актуальность. Число транзисторов на кристалле по-прежнему удваивается, но уже не каждые два года. Дело в том, что кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу.

Сегодня мы расскажем о материалах, которые могут заменить кремний, и дадим краткий обзор новых подходов к производству полупроводниковых приборов.

Новые материалы

Одним из основных «заменителей» кремния могут выступить углеродные нанотрубки — это цилиндры с толщиной стенок в один атом углерода. Такие транзисторы переключаются примерно в пять раз быстрее классических.

Один из первых прототипов представила группа американских инженеров три года назад. Ожидается, что технология найдет применение в гибкой электронике.

Двумя другими перспективными материалами инженеры называют диоксид и селенид гафния. Первый применяется в микроэлектронике еще с 2007 года.

Реорганизация кристаллической структуры этого вещества позволяет увеличить его электрическую постоянную в четыре раза, а транзисторные затворы из диоксида гафния снижают влияние туннельного эффекта.

Что касается второго материала, то он должен помочь миниатюризовать современные транзисторы. Селениды сами по себе очень тонкие — толщиной в три атома. При этом они обладают хорошими показателями энергопотребления.

Группе ученых уже удалось создать несколько рабочих прототипов. Сейчас инженеры думают, как соединять такие маленькие устройства друг с другом, и разрабатывают компактные контактные площадки.

Также стоит отметить такой материал, как дисульфид молибдена. Сам по себе он плохой полупроводник и уступает по свойствам кремнию. Однако в Нотрдамском университете установили, что транзисторы на основе тонких молибденовых пленок имеют уникальные свойства. Они не пропускают ток в выключенном состоянии и требуют мало энергии на переключение.

Прототип такого устройства два года назад представили в лаборатории в Беркли. Его ширина составляет всего один нанометр. Разработчики убеждены, что продлить закон Мура суждено именно таким транзисторам.

Альтернативные методы разработки

Первый метод основан на пьезоэлектрических транзисторах. Они состоят из пьезоэлектрического и пьезорезистивного компонентов. Первый преобразует электрические импульсы в звуковые, второй реагирует на звуковые волны и управляет транзистором в зависимости от их интенсивности.

Пьезоэлектрические транзисторы энергоэффективнее кремниевых, поэтому их планируют использовать в мобильных устройствах. Однако они могут найти применение и в дата-центрах. Технология позволит сократить затраты на охлаждение оборудования. Разработками в этой области сегодня занимается IBM, а также инженеры из Национальной физической лаборатории Великобритании.

Еще один вариант — спиновые транзисторы. Такие устройства работают не с электронами, а с их спинами (моментами импульса элементарных частиц). Движутся спины под воздействием внешнего магнитного поля, которое упорядочивает их в одном направлении. В результате возникает спиновый ток. Эти транзисторы потребляют в разы меньше энергии по сравнению с кремниевыми.

Концепцию спиновых транзисторов представили еще в 90-х. С тех пор в этом направлении работают крупные компании, например Intel, но до того момента, когда спиновые устройства выйдут за пределы лабораторий, еще далеко.

/фото RawPixel PD

Помимо спиновых и пьезоэлектрических транзисторов стоит отметить и металл-воздушные транзисторы. Они похожи на классические MOSFET-транзисторы, однако их сток и исток выполняются из металла. Сток и исток располагаются на расстоянии в 30 нм друг от друга и обмениваются зарядами при помощи автоэлектронной эмиссии.

Разработкой металл-воздушных транзисторов занимается команда австралийских инженеров из Мельбурнского университета. Ожидается, что рабочая частота таких устройств достигнет сотен гигагерц. В перспективе технология позволит увеличить производительность аппаратного обеспечения в центрах обработки данных.

В целом пока рано говорить о какой-то одной и полноценной замене классическим кремниевым транзисторам. Разработки в этой области ведутся, и, возможно, прорыв случится в ближайшее время. Например, металл-воздушные транзисторы уже готовят к выходу на рынок. Это может произойти всего через два года.

О чем еще мы пишем в нашем блоге:

Оцените статью

☆☆☆☆☆

Дискретные выходы ПЛК | LAZY SMART

Современные интеллектуальные устройства (контроллеры, регуляторы, датчики) имеют дискретные выходы для передачи другим устройствам сигналов о возникающих событиях, а так же для управления исполнительными устройствами. Эти входы могут быть всего нескольких типов.

Промышленные контроллеры, как правило, используют только релейные и транзисторные выходы. В регуляторах иногда встречаются другие разновидности. Далее мы разберём каждый из типов и определим их принцип работы, достоинства и недостатки.

Релейный выход

Такой выход представляет собой обычное электромагнитное реле, управляемое внутренней логикой контроллера. С помощью такого выхода можно скоммутировать любую внешнюю силовую нагрузку: электрическую печь, клапан, насос, привод и т.д. При этом необходимо учитывать мощность коммутируемого устройства (чтобы максимально возможный ток, протекающий в цепи не превышал предельный ток указанный для этого выхода). В технических характеристиках обязательно указывают нагрузочную способность выхода. Может быть 1, 2…10А — это и есть основная характеристика релейного выхода.

Ещё релейные выходы различают по количеству контактов. Как у обычного реле, у релейного выхода могут быть нормально-открытый (НО) и нормально-закрытый (НЗ) контакты. Чаще всего на корпус устройства выводят только НО контакт, как наиболее часто применяемый, для экономии места.

Однако встречаются ПЛК и модули дискретного вывода, где релейный выход имеет перекидной ключ с одним общим контактом — такой ключ называют перекидным.

Схема подключения ОВЕН ПЛК150

Как видно на схеме, дискретные выходы DO1 и DO2 имеют перекидной контакт (3 вывода), а DO3 и DO4 только НО контакт.

Теперь рассмотрим преимущества и недостатки релейного выхода.

Преимущества:

выход уже готов к коммутации силовой (или слаботочной) нагрузки — нет необходимости в использовании внешних реле
не нужно устанавливать внешний источник пропитки выходов
релейные выходы независимы друг от друга и могут коммутировать разные по характеристикам цепи (например, один выход может включать лампу на 220В, а другой — капан на 12 В)
не греются

Недостатки:

искрение контактов при коммутации индуктивной нагрузки
меньший ресурс (по сравнению с выходом типа «транзисторный ключ»)
возможно залипание контактов реле при перегрузке
задержка при срабатывании относительно большая (опять же по сравнению с выходом типа «транзисторный ключ»)

Транзисторный выход (транзисторная оптопара)

Дискретный выход типа «транзисторный ключ» — это электронный ключ реализованный на полевом или биполярном транзисторе. Транзистор пропускает электрический ток, когда на его базу приходит управляющее напряжение.

Такое включение транзистора называют схемой с открытым коллектором.

Транзисторный ключ может коммутировать только цепи постоянного тока. В промышленном оборудовании как стандарт де-факто для дискретных сигналов (как и аналоговых) используется напряжение 24 В. Но ничего не мешает такому выводу коммутировать цепь с напряжением, например, 12 В.

Транзисторные выходы обычно объединяют в каскады.

Существует две разновидности транзисторных выходных каскадов: для втекающего и вытекающего тока.

Выходные каскады для втекающих (слева) и вытекающих (справа) токов. (рисунок с сайта www.bookasutp.ru)

Эти схемы отличаются только общим выводом для каскада. В схеме со втекающим током общим общим выводом является земля, а в противоположном случае общий вывод — питание.

Рассмотрим преимущества и недостатки выхода типа «транзисторный ключ».

Преимущества:

отсутствует искрение контактов и их залипание
существенно больший ресурс работы
малая задержка срабатывания
возможна высокая частота коммутации

Недостатки:

для коммутации силовой нагрузки нужно использовать внешнее реле
необходимо отдельно пропитывать выходной контакт. Часто для этого требуется отдельный внешний блок питания
чаще всего выходы связаны в один каскад, поэтому могут коммутировать только устройства, находящиеся в одной цепи
могут коммутировать только цепи постоянного тока

Симисторный выход (симисторая оптопара)

Этот тип выхода по принципу работы, подключению, достоинствам и недостаткам аналогичен транзисторному входу. Однако, симисторный выход может коммутировать цепи переменного тока.

Такой выход редко встречается в ПЛК. Чаще всего его имеют регуляторы. Например, ПИД-регулятор температуры, который управляет индуктивной нагрузкой (электрическая печь). В этом случае симисторный выход удобен тем, что он как и релейный может коммутировать силовую нагрузку, но исключает искрение контактов.

Симисторный выход ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ10

Как работают транзисторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этой, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для.В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, по которому течет электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий. Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше «свободные» электроны, поэтому электроны в близлежащих материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся по току, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы будем называть базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, ток между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это просто математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто «- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы могут быть подключены к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Разработан новый высокопроизводительный транзистор для недорогих экологически чистых биосенсоров

Полевые транзисторы составляют основу всей современной электроники. Они используют органические полупроводники в качестве активного материала для работы устройства.

Исследователи разработали новые высокоэффективные органические полевые транзисторы (OFET), которые можно использовать в недорогих биосенсорах для измерения уровней пестицидов, гербицидов и тяжелых металлов в почве и грунтовых водах, а также для раннего обнаружения болезней растений. .

(Подпишитесь на нашу информационную рассылку по технологиям, Today’s Cache, чтобы получать информацию о новых темах на стыке технологий, бизнеса и политики. Нажмите здесь, чтобы подписаться бесплатно.)

Команда Университета Шива Надара, Дели, NCR заявили, что их полупроводниковые устройства OFET могут кардинально изменить правила игры в биосовместимых технологиях и окажутся незаменимыми для устойчивого сельского хозяйства.

Полевые транзисторы составляют основу всей современной электроники.Они используют органические полупроводники в качестве активного материала для работы устройства.

Исследование, опубликованное в журнале ACS Applied Electronic Materials, показывает достижение очень высокой подвижности носителей заряда, до 20 единиц, для любой тонкой пленки из органических полупроводников.

Также читают | Новые биосенсоры быстро обнаруживают белки коронавируса, антитела

. Это было достигнуто за счет использования биосовместимых солей, которые, по мнению исследователей, могут сделать эти устройства значительно более экономичными, а также экологически безопасными.

Полученные биосенсоры могут предложить улучшенные характеристики обнаружения с такими преимуществами, как легкий вес, портативность и низкая стоимость, что может позволить фермерам улучшить качество и минимизировать потери сельскохозяйственной продукции, сказали они.

«Мы считаем, что это важный прорыв, так как развитие местных технологий даст биосенсорной технологии столь необходимое преимущество», — сказал Самарендра Пратап Сингх, доцент Университета Шив Надар, руководивший исследованием.

Органическая электроника — одна из быстро развивающихся областей, которая стимулирует множество инновационных приложений, затрагивающих несколько областей, начиная от сбора энергии, устройств хранения и заканчивая носимой электроникой и биосенсорами.

Также читают | Это устройство может распознавать жесты рук с помощью носимых биосенсоров.

«Одно из основных применений этого исследовательского проекта — разработка гибких электронных биосенсоров с печатью для биологических и сельскохозяйственных целей», — сказал Сингх PTI.

«Механическая гибкость, низкое энергопотребление, портативность, высокая пропускная способность и экологичность являются основными преимуществами», — добавил он.

Исследователи, в том числе Саджал Кумар Гош, доцент, и Йогеш Ядав, аспирант Университета Шив Надар, отметили, что недорогие материалы и этапы обработки этих устройств делают датчики на основе OFET дешевым кандидатом для желаемые приложения.

Однако, по их словам, оценочный анализ затрат может быть проведен после разработки прототипа биосенсоров.

Легкость, биосовместимость и пригодность для печати делает органические полупроводники подходящими для целого ряда продуктов, включая гибкие смарт-карты, биосовместимые устройства, устройства сбора энергии, биосенсоры, солнечные элементы и многое другое.

«Сельское хозяйство является основой экономики Индии, и в этом секторе занята почти половина населения страны. Тем не менее, его вклад в ВВП страны составляет менее 20 процентов», — сказал Рупаманджари Гош, вице-канцлер Университета Шив Надар.

«Сделать сектор более устойчивым и устойчивым — общая цель исследовательских институтов, правительства и промышленности», — сказал Гош. «Этот технологический прорыв может помочь ученым создавать более совершенные, творческие и устойчивые агротехнологические приложения для решения проблем, с которыми сталкиваются фермеры в нашей стране с помощью инновационных решений», — добавила она.

Новый оптический коммутатор до 1000 раз быстрее, чем транзисторы

Технологии работали в милях с подветренной стороны, где, поскольку борьба с этими пожарами продолжалась в течение нескольких дней, даже недель, многие жители района залива и дельты реки Сакраменто обратились к сетям датчиков качества воздуха, особенно AirNow, поддерживаемый U.S. Government и PurpleAir, созданные путем краудсорсинга коммерческих датчиков. Данные этих двух широких сенсорных сетей помогли жильцам решить, надевать ли маску из частиц N95 при выходе на улицу, безопасно ли заниматься физическими упражнениями или позволять детям играть на улице, как долго должны работать воздушные фильтры внутри дома и как далеко ехать, чтобы сбежать.

Эти конкретные сети используют сенсорные блоки, установленные на зданиях, для потоковой передачи данных через Wi-Fi в веб-картографические программы.Всего нескольких сотен сенсорных блоков, распределенных по большей площади залива, было достаточно, чтобы определить значительные локальные различия в распространении дыма. Например, датчики показали, что топография гор Санта-Крус защищает прибрежные города с подветренной стороны от дыма, в то время как дельта реки Сакраменто пострадала гораздо больше, поскольку дым застаивался в ее широких низких участках.

Замечательно, что датчики отследили дым в этих местах. Но почему они не работали там, где они действительно были нужны, там, где начались эти лесные пожары, чтобы предупредить о распространении пожаров?

Основная причина — доступ к власти.Датчики, которые устанавливаются на зданиях, можно просто подключить к розетке. Сенсорная система, которая может обнаружить пожар, начавшийся в лесу, не имеет такой роскоши.

Может ли вместо этого использоваться батареи, по крайней мере, по одной на каждый сенсорный узел?

Житель Вакавилля, штат Калифорния, был одним из многих северных калифорнийцев, вынужденных бежать из пожаров LNU Lightning Complex в августе 2020 года после того, как необычная серия гроз вызвала почти 400 пожаров. Филип Пачеко / Bloomberg / Getty Images

Сделайте паузу, чтобы посмотреть на детектор дыма в комнате, где вы сидите, и подумайте, когда вы в последний раз меняли батарею.Какая-то боль, правда? Сенсорная сеть, которая могла бы контролировать весь лес, газопровод или любую критически важную инфраструктуру, потребовала бы тысяч или даже миллионов датчиков и батарей. Просто думать о бригаде людей, которым нужно было бродить вокруг, чтобы заменить все эти батареи, утомительно, и на самом деле это было бы слишком дорого и непрактично.

Если бы у нас была сенсорная сеть, которая редко или никогда не потребляла электроэнергию, представьте, сколько важных мест и вещей можно было бы контролировать, сколько жизней можно было бы спасти.Рассмотрим мосты и плотины, которые могут сообщить об их структурной целостности. Или подумайте о городских улицах, которые могут сообщить о штормовом наводнении или обрушенных линиях электропередач, которые могут определить точное место разрыва и возможный риск пожара.

Прежде чем мы поговорим о о том, как мы могли бы создать такую систему мониторинга с нулевым энергопотреблением, давайте рассмотрим основные компоненты распределенной сенсорной сети. Помимо источника питания и самих датчиков, каждому узлу в сети требуется компьютер (в виде микропроцессора или микросхемы микроконтроллера) и радиомодуль.Как правило, компьютер управляет: он собирает данные датчиков через определенные промежутки времени и обрабатывает их. Затем он включает радио для передачи данных. Если источник питания ограничен по мощности, например аккумулятор, или по доступности, например солнечная панель, компьютер также отслеживает и регулирует энергопотребление.

Когда мы говорим об управлении энергопотреблением здесь, мы обычно сосредотачиваемся на мощности, потребляемой радио. Радио может быть очень энергоемким; чем дальше должен дойти радиосигнал, тем больше мощности он должен потреблять.

Для этих PurpleAir и других упомянутых датчиков, установленных в здании, радиосигнал должен достигать всего нескольких метров до базовой станции, потенциально с использованием низкоэнергетического радиопротокола, такого как Bluetooth Low Energy или Zigbee, или до интернет-маршрутизатора с использованием Wi- Fi. Однако в лесу это не так. Даже с ячеистой сетью — протоколом, который позволяет передавать сообщения короткими переходами от узла к узлу на обратном пути к домашней базе — в большой сети может потребоваться, чтобы каждый узел передавал на несколько километров.Чтобы достичь таких больших расстояний, каждому радиоприемнику может потребоваться мощность в ваттах по сравнению с милливаттами мощности, доступными в Bluetooth Low Energy.

Одним из способов экономии энергии является программирование компьютера на выборку и передачу через фиксированные интервалы времени, скажем, один раз в час. Или он может постоянно отслеживать выходные данные датчика и передавать данные только тогда, когда происходит что-то интересное, например, когда превышен предписанный пороговый уровень датчика. Но в любом случае компьютер должен всегда работать, а это означает, что в конечном итоге он разрядит аккумулятор.

Идеальная сенсорная система предупреждения, такая как собака, охраняющая дом по ночам, обычно спит; однако определенный порог шума или запаха заставит его проснуться и начать лаять с предупреждением.

Гораздо лучший способ сэкономить заряд батареи — это вообще не использовать ее до тех пор, пока в системе действительно не появятся важные данные для передачи. Система будет оставаться в спящем режиме со сверхнизким энергопотреблением или даже в режиме разомкнутой цепи без протекания тока до тех пор, пока сам датчик не обнаружит важный сигнал.

В этом видении контролирует датчик, а не компьютер. Датчик заставит компьютер включиться, обработать данные и передать их. А затем, после завершения передачи и исчезновения инициирующего стимула, система выключится и вернется в состояние сна или полностью отключенное питание. Спящий режим или что-то близкое к нему уже присутствует практически в каждой современной ИС, особенно в тех, которые предназначены для использования в мобильных устройствах, где сохранение срока службы батареи имеет решающее значение.

Эквивалент датчика спящей собаки называется датчиком, управляемым событиями. В своей наиболее распространенной форме он использует входящий стимул с некоторым минимальным пороговым значением для перемещения и замыкания механического переключателя, который, в свою очередь, активирует электронную схему. Как только переключатель замыкается, схема потребляет энергию от батареи, а затем выполняет более энергоемкие задачи, такие как обработка данных и радиопередача.

Используя технологию микроэлектромеханических систем (MEMS), мы можем создавать такие событийно-управляемые датчики на кремниевых микросхемах размером всего миллиметр.Крошечные силы могут приводить в действие их и, таким образом, приводить в действие электронные схемы, встроенные в кремний.

В Северо-Восточный университет в Бостоне, группа Маттео Ринальди продемонстрировала датчик, управляемый событиями, который может помочь обнаружить лесной пожар, реагируя на инфракрасный свет, излучаемый горячим объектом. На поверхности сенсора имеется массив металлических квадратов нанометрового размера, которые избирательно поглощают свет определенных длин волн, вызывая нагрев сенсора. При заданном пороге температуры поглощенное тепло деформирует металлический палец, который механически замыкает электрический выключатель.Механизм аналогичен тому, что используется в старых домашних термостатах, хотя и в гораздо меньшем масштабе. После того, как раздражитель удаляется, металлический палец возвращается к своей исходной форме, и переключатель размыкается.

Этот датчик от исследователя Северо-Восточного университета Маттео Ринальди спит в режиме сверхнизкой мощности до тех пор, пока инфракрасный свет, например, от огня или горячего объекта, не разбудит его. Система предупреждения, использующая этот тип датчика, может прослужить десятилетие без замены батареи. Мэтью Модоно / Северо-Восточный университет

Изменяя геометрию поглотителя и механического переключателя, вы можете настроить этот датчик так, чтобы он реагировал на различные длины волн и интенсивности света.Поэтому его можно использовать в сенсорной сети для отслеживания теплового сигнала, создаваемого лесным пожаром, или в приложении безопасности для поиска горячих выхлопных газов от проезжающего мимо транспортного средства определенного типа. В неактивном состоянии он потребляет почти нулевую мощность, имея ток утечки всего наноампер. Этот датчик может годами работать от оригинальной батареи в ожидании срабатывания триггера.

На Группа Сиаваша Пуркамали из Техасского университета в Далласе придерживается другого подхода.Они разработали управляемый событиями акселерометр постоянного тока, который может определять изменение наклона. Его можно использовать в качестве устройства безопасности, чтобы подавать сигнал тревоги, если объект перемещается, или в качестве монитора отгрузки пакета, чтобы определить, переворачивается ли пакет во время транспортировки. Развернутый в сети датчиков, он также может обнаруживать небольшие изменения угла в больших конструкциях, таких как заборы, трубопроводы, дороги или мосты, что указывает на потенциально опасную деформацию или трещины.

Идея этого датчика, срабатывающего по событию движения, не нова.Сто лет назад в переключателях наклона сантиметровой шкалы использовалась проводящая капля ртути, катящаяся по стеклянной трубке, чтобы замкнуть электрическую цепь. Версия MEMS, конечно, имеет размер всего несколько миллиметров, и вместо ртути в ней используется подвешенный блок кремния. При изменении угла смещенный блок замыкает электрическую цепь. Этот датчик можно настроить на заданные пороги наклона, и он не потребляет энергию во время ожидания срабатывания триггера.

Для обоих этих датчиков, управляемых событиями, по-прежнему требуется аккумулятор для питания остальной системы после возникновения события запуска.Затем пробужденный компьютер должен обработать данные датчика и начать радиопередачу в соответствии с запрограммированными инструкциями.

При экономном использовании батареи хватит на годы, но в какой-то момент она разрядится. Поэтому высшей мечтой было бы вообще не иметь батарей.

Как бы невероятно это ни звучало, датчики без батареек уже существуют. Мы можем создать их, используя обычную технологию: радиочастотную идентификацию. RFID-метка может быть пассивным электронным устройством, не имеющим собственного источника питания.Вместо этого он индуктивно получает питание от внешнего устройства, называемого считывателем. Считыватель излучает на расстоянии электромагнитную энергию, которая передается на антенну RFID-метки и генерирует переходный электрический ток в цепи RFID-метки. Это временное соединение считывателя и тега позволяет передавать небольшие фрагменты информации, например серийный номер или баланс счета. Типичное использование RFID таким образом — электронный сбор платы за проезд; Пассивная метка RFID находится на лобовом стекле автомобиля, и автомобиль проезжает под считывателем, установленным на потолочном портале.

Технология RFID может использоваться для получения показаний датчика, а не просто номера тега. Действительно, он уже много лет используется в имплантированных медицинских датчиках, таких как Система CardioMEMS. В этой системе емкостный датчик давления MEMS на стеклянной основе внутри стента аневризмы аорты позволяет кардиологу проверить утечку стента, поместив считывающее устройство напротив туловища пациента.

Но есть гораздо больше, что можно сделать с помощью питания и считывания в стиле RFID.

В Группа Чжэн Ю из Университета Цинхуа в Пекине разработала датчик акустических волн, который может пассивно и точно определять изменение температуры. Это устройство основано на том факте, что центральная частота пьезоэлектрической структуры смещается при изменении температуры, а небольшие частотные сдвиги могут быть легко обнаружены схемой считывателя RFID.

С добавлением химически селективного поглощающего покрытия на пьезоэлектрическую поверхность датчик может измерять концентрацию газа.Поскольку покрытие поглощает молекулы целевого газа, масса, лежащая на пьезоэлектрическом материале, будет увеличиваться, снова смещая резонансную частоту.

Любой датчик, который может преобразовать физическое явление в изменение резонансной частоты, может быть считан RFID и, следовательно, работать без батареи. В этом случае задача состоит в том, чтобы подвести считыватель достаточно близко к каждому датчику в сети. Трудно представить подобное для системы обнаружения лесных пожаров. Установка антенны большего размера на датчик, а также на считывающее устройство, безусловно, поможет, но даже в лучшем случае мы смотрим на несколько метров, как в электронных пунктах взимания платы.

Тем не менее, с дальностью передачи порядка метров, сеть датчиков большой площади, состоящая из пассивных датчиков без батарей, может быть считана с помощью беспилотного летательного аппарата, который летает по сети по определенной схеме для сбора данных. Группа Эрика Йитмана из Имперского колледжа Лондона разрабатывает аппаратную платформу, необходимую для сбора данных с помощью дронов. Дроны будут перемещаться к каждому местоположению сенсорного узла, включать узел, а затем собирать данные. Чтобы обеспечить достаточную мощность, сенсорная сеть включает суперконденсаторы, которые заряжаются за счет индуктивной беспроводной передачи энергии.Дроны лучше всего подходят для сенсорных сетей с чистым воздушным пространством, например, на фермах, акведуках, трубопроводах, мостах или плотинах.

В ноябре 2018 года пожар в лагере, горящий в округе Бьютт в Калифорнии, послал густые облака дыма [вверху] в район залива Сан-Франциско, где сеть датчиков, контролируемых PurpleAir, определила опасные уровни взвешенных в воздухе твердых частиц [внизу]. Пожар в конечном итоге охватил более 150 000 акров (60 000 гектаров), разрушив 18 000 построек и унеся по меньшей мере 85 жизней. Вверху: Дэвид Литтл / The Mercury News / Getty Images; Внизу: PurpleAir

Сенсорная сеть большой площади была бы очень полезна для управления Плотина Оровилл в Калифорнии в феврале 2017 года, когда из-за контролируемого сброса излишков дождевой воды водосброс дамбы вышел из строя. Возникший в результате каскад воды разрушил фундамент плотины, потенциально нарушив целостность плотины. Местные власти приказали более 180 тысячам жителей покинуть территорию до тех пор, пока более детальная проверка не установит, что плотина безопасна.Если бы в то время существовала обширная сенсорная сеть для мониторинга конструкций, эти органы могли бы собрать данные для определения состояния плотины и принять своевременное и информированное решение о том, действительно ли необходима эвакуация. (В конечном итоге страшного коллапса не произошло.)

Так же, Обрушение моста Моранди в 2018 году в Генуе, Италия, было вызвано сочетанием стареющей инфраструктуры и суровой погоды. Катастрофу, в результате которой погибли 43 человека, можно было бы предотвратить, если бы ослабление пролета можно было своевременно обнаружить с помощью установленной сенсорной сети, а не с помощью спорадических и редких проверок.

Готовы ли датчики , управляемые событиями, или датчики нулевой мощности, чтобы обнаружить вспышку лесного пожара в отдаленной местности? Мы еще не совсем там, но приближаемся. Все основные элементы такой большой сенсорной сети существуют в различных стадиях технической зрелости; Еще несколько лет разработки и интеграции продуктов сделают их реальностью. Возможно, более сложной задачей будет побудить региональные и федеральные правительства к покупке и развертыванию таких сетей там, где они могут быть наиболее полезными, или к созданию краудсорсинговой сенсорной сети, подобной PurpleAir.

Переход к датчикам с нулевым потреблением энергии стоит затраченных усилий и затрат; их развертывание для предупреждения о лесных пожарах само по себе оправдало бы инвестиции в НИОКР. Лесные пожары уже привели к таким огромным убыткам и продолжают угрожать жизни, собственности, среде обитания и долгосрочному здоровью миллионов людей, вдыхающих дым.

Представьте себе будущий пожарный сезон в Калифорнии. Удар молнии поджигает дерево вдали от домов, и огонь растет. Но задолго до того, как даже слабый запах дыма может разбудить вашу собаку, датчики в лесу просыпаются и предупреждают станцию наблюдения за пожарами.Наконец, есть достаточно времени и информации, чтобы смоделировать развитие пожара и выдать ранние предупреждения об эвакуации на телефоны всех, кто находится на пути пожара.

Оптический переключатель может заменить транзистор, что приведет к созданию более быстрых и энергоэффективных микросхем

Закон Мура — это наблюдение, сделанное соучредителем Intel Гордоном Муром, который первоначально призывал к ежегодному удвоению количества транзисторов внутри чипа.Мур сделал это наблюдение в 1965 году и пересмотрел его в 1975 году, призвав удваивать количество транзисторов каждые два года. По мере увеличения количества транзисторов внутри микросхем интегральные схемы становятся более мощными и энергоэффективными.

Гонка продолжается, чтобы найти способ создавать более быстрые и более энергоэффективные чипы, поскольку закон Мура больше не может быть учтен на

Apple A13 Bionic, на котором была установлена серия iPhone 11 в 2019 году, содержала 8,5 миллиардов транзисторов в каждом чип и был изготовлен TSMC с использованием 7-нм техпроцесса второго поколения N7P.В следующем году A14 Bionic, который использовался на iPhone 12 серии в 2020 году, принес 11,8 миллиарда единиц (на 38,8% больше, чем у A13 Bionic). Это был первый чип, сделанный TSWMC с использованием 5-нм техпроцесса.

Недавно анонсированный Apple M1 Max содержит 57 миллиардов транзисторов внутри

В этом году A15 Bionic, созданный с использованием 5-нм техпроцесса TSMC второго поколения, оснащен 16 миллиардами транзисторов.Но посмотрите на увеличение количества транзисторов на чипах Apple серии M, разработанных для замены процессоров Intel на Mac. M1 был выпущен в прошлом году с 15 миллиардами транзисторов, и только в этот понедельник Apple представила M1 Pro (33,7 миллиарда транзисторов) и M1 Max (57 миллиардов транзисторов).

В конце концов закон Мура перестанет быть жизнеспособным, и транзисторы не смогут стать меньше. Но согласно Tom’s Hardware, IBM объединилась с российскими исследователями и создала оптические переключатели.Они используют свет вместо электричества для включения и выключения переключателей для создания двоичных чисел, которые становятся символами. Свет сверхбыстрый, а оптический переключатель может переключаться до 1000 раз быстрее, чем напряжение.

Еще пять лет назад была мысль, что использование света может помочь расширить или даже перезапустить закон Мура. В отчете ExtremeTech, опубликованном еще в феврале 2016 года, говорилось: «Однако после создания полностью оптический компьютер, возможно, позволит нам перезапустить закон Мура. Оптический компьютер — один из наших лучших вариантов для возобновления экспоненциального роста вычислительной мощности.«Для оптического переключателя, который исследователи могут использовать на кристалле, требуется только один фотон света. Павлос Лагудакис, физик из Сколковского института науки и технологий в Москве, и старший автор исследования сказал:« Самым удивительным открытием стало то, что мы могли бы включить оптический переключатель с наименьшим количеством света, одним фотоном ». Чтобы заставить работать оптические переключатели, используются лазеры и зеркала.

Переключение на основе света все еще далеки от того, чтобы стать основной технологией

Лагудакис указал Выяснилось, что, хотя исследования выглядят многообещающими, световая коммутация все еще далеки от того, чтобы использоваться разработчиками основных микросхем.Он говорит: «Первому электронному транзистору потребовалось 40 лет, чтобы войти в персональный компьютер, и инвестиции многих правительств и компаний, а также тысяч исследователей и инженеров. Часто неправильно понимают, сколько времени потребуется, прежде чем открытие в фундаментальных физических исследованиях войдет в рынок.»

Если этот процесс можно усовершенствовать, вычисления на основе света могут помочь вывести на рынок более быстрые и энергоэффективные микросхемы. В 2019 году сотрудник IBM Тило Штеферле писал: «Запихивая все больше транзисторов на все меньшие микросхемы, мы пришли к созданию таких устройств, как наши смартфоны, с большей вычислительной мощностью, чем большие компьютеры, которые НАСА использовало для высадки первых людей на Луну. .

Штеферле добавляет: «Но ни одно из этих изобретений не останется с нами навсегда. Фактически, в последние годы мы стали свидетелями возрождения интереса к совершенно другим компонентам и архитектурам ». Среди возможных кандидатов на замену транзистора — оптический переключатель.

Что такое транзистор? — Определение с сайта WhatIs.com

Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов.Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток.

Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала. Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуинтузиазмом».Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, обернутым вокруг проводов).

Полупроводниковому материалу придаются особые свойства с помощью химического процесса, называемого легированием . Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дырки» в кристаллической структуре материала (которая затем называется P-типа. , потому что это приводит к большему количеству носителей положительного заряда).Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду.В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа). Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует энергии.

Транзисторы — это базовые элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, связанных между собой схемами и запеченных в единую кремниевую микросхему.

Последнее обновление: октябрь 2015 г.

Продолжить чтение о транзисторе
Изобретение транзистора — CHM Revolution
Изобретение транзистора
Ученые в 1920-х годах предложили строить усилители из полупроводников.Но они недостаточно хорошо разбирались в материалах, чтобы на самом деле это делать. В 1939 году Уильям Шокли из Bell Labs компании AT&T возродил идею замены электронных ламп.
Под руководством Шокли Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали в 1947 году первый полупроводниковый усилитель: точечный транзистор с двумя металлическими точками, контактирующими с полоской германия. В 1948 году Шокли изобрел более прочный переходной транзистор, построенный в 1951 году.
Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои изобретения.
Как работал транзистор Бардина и Браттейна
Транзистор Бардина и Браттейна состоял из полоски германия с двумя близко расположенными золотыми точечными контактами, удерживаемыми пластиковым клином. Они выбрали германиевый материал, который был обработан так, чтобы содержать избыток электронов, названный N-типом. Когда они заставляли электрический ток протекать через один контакт (называемый эмиттером), он вызывал нехватку электронов в тонком слое (локально изменяя его на P-тип) около поверхности германия.Это изменило количество тока, который мог протекать через контакт коллектора. Небольшое изменение тока через эмиттер вызвало большее изменение тока коллектора. Они создали усилитель тока.
Транзисторы Взлет
Компания AT&T, которая изобрела транзистор, лицензировала технологию в 1952 году. Она надеялась извлечь выгоду из других усовершенствований.
Транзисторы быстро покинули лабораторию и вышли на рынок. Хотя они дороже электронных ламп, они были идеальными, когда важна портативность и работа от батарей.Слуховой аппарат Sonotone 1952 года стал первым в Америке потребительским товаром на транзисторах. AT&T также использовала транзисторные усилители в своей системе междугородной телефонной связи. Вскоре они появились как переключатели, начиная с экспериментального компьютера в Манчестерском университете в 1953 году.
По мере того, как цены падали, количество потребителей увеличивалось. К 1960 году большинство новых компьютеров были транзисторными.
Транзистор — обзор | Темы ScienceDirect
1.2.4 Сильная инверсия
Сильная инверсия емкости МОП происходит, когда В _G превышает В _TH.В этой ситуации и φ _s, и W _dep не изменяются значительно из режима обеднения, поскольку любое небольшое изменение приводит к большой плотности электронов (или дырок). Это означает, что уравнение V _G модифицируется следующим образом:
(1,7) VG = Vfb + 2ϕB − QdepCox − QinvCox = Vfb + 2ϕB + qNa2ɛs2ϕBCox − QinvCox
Краткое описание всех режимов работы (как описано 1.4), включая сильную инверсию, проиллюстрирована на рис.1.5.
Рис. 1.5. На рисунке показан обзор различных режимов работы MOS.
В транзисторе не происходит транспортировка носителей между выводами истока и стока ( I _D = 0), когда напряжение на затвор не приложено. Например, в МОП-транзисторе, если вывод затвора установлен на положительное напряжение и В _GS> В _TH, то в области канала формируется градиентное напряжение, приводящее к проводимости канала, который становится достаточно большим, чтобы обеспечить перенос электронов в канале.Здесь важно отметить, что условие V _DS < V _GS — V _TH должно выполняться во избежание защемления транзистора. В ситуации, когда В _GS управляет проводимостью канала, а канал работает как переменный резистор, проводимость между истоком и стоком ( г _DS) записывается как
(1,8) gDS = 1rDS = knVGS − VTH − 12VDS
, где r _DS — сопротивление между стоком и истоком.В результате индуцированный заряд ( Q ) в области канала может быть выражен как
(1,9) Q = −CoxVGS − VTH − ϕs
Канальный ток также может быть получен подвижностью носителей ( μ _e), сформированное электрическое поле ( ɛ _y) вдоль направления канала ( y ), длина канала ( W ) и заряд ( Q ) в канале согласно
(1.10) ID = WμeQɛywhereɛy = −dψ / dy
Следовательно, I _D можно переписать следующим образом:
(1.11) IDdy = WμnCoxVGS − VTH − ψdψ⇒ID = μnCoxWLVGS − VTHVDS − 12VDS2)
или
(1,12) ID = μnɛ0ɛoxWtocLVGS − VTHVDS − 12VDS2
и I в режиме насыщения получается в режиме насыщения
I . (1.13) IDsat = μnCoxW2LVGS − VTh3
Ур. (1.12) показывает, что I _D является квадратичной функцией V _DS с максимальной точкой при V _TH. Это уравнение используется для определения характеристик транзистора, когда подвижность канала может быть получена из электрических измерений.
nMOS-транзистор имеет три рабочих режима со следующими условиями, как показано на рис. 1.6:
рис. 1.6. I — V кривые n-канального MOSFET в различных режимах работы [4].
1.
Отсечка: возникает, когда В _GS < В _TH и ток канала I _D = 0 А
Это состояние, когда транзистор находится в режиме выключения.Более подробное исследование с использованием распределения Ферми-Дирака показывает, что некоторые электроны с тепловой энергией в источнике могут перемещаться внутри области канала и течь в сток. Это вызывает подпороговый ток, который действует как экспоненциальная функция от В _SG. Допороговый ток рассматривается как ток утечки, поскольку I _D должен быстро приближаться к нулю, когда транзистор выключен [5,6]:
(1.14) ID≅ID0eVGS − VTHnVT
, где I _D0 ток, а коэффициент наклона n записывается как:
(1.15) n = 1 + CDCox
, где C _D и C _OX — емкости обедненного слоя и оксидного слоя соответственно. Поскольку подпороговое напряжение , — В, экспоненциально зависит от порогового напряжения, оно делает его уязвимым для любых изменений в структуре транзистора, таких как толщина оксида затвора, легирование корпуса транзистора и глубина перехода.
2.
Триодный или линейный режим возникает, когда условие 0 < В _DS < В _GS — V _TH и большая проводимость и транспорт носителей установлен по каналу транзистора с током I _D.
3.
Режим насыщения: возникает, когда V _GS> V _TH и V _DS ≥ V _GS — TH _{. Это также источник тока, управляемый напряжением, и I _D можно переписать как I _D = (1/2) k _n ( V _GS — V _TH) ².}
Здесь стоит упомянуть, что все приведенные выше уравнения для токов и напряжений для nMOS-транзистора могут быть записаны с обратным знаком для pMOS. Это означает, что V _TH, V _SG, V _DS и V _OV становятся отрицательными и, например, условия для режима насыщения становятся: V _GS < V _TH и V _DS < V _GS — V _TH.
No related posts.