Швидкісний електронний ключ “мдн-тетристор лиховида”

Реферат: UA 79012 U UA 79012 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до напівпровідникової імпульсної техніки і може застосовуватися для швидкісної комутації високих напруг і значних струмів у вторинних джерелах електричного живлення та автоматичних регуляторах потужності. Відомий напівпровідниковий прилад, виконаний на основі монокристалу напівпровідника з трьома і більше р-n переходами, що має два стабільних стани; стан низької провідності і стан високої провідності (включений стан). Такий прилад проводить струм тільки в одному напрямку при подачі напруги на керуючий електрод і отримав назву тиристор, [див. Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1987. - 112 с: ил. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104. - с. 26)]. Відомий тиристор має три виходи, один з яких - керуючий електрод - використовується для різкого переводу тиристора у включений стан. Тиристор суміщає в собі функції випрямляча, вимикача і підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Основні властивості тиристора: - тиристор, як і діод, проводить в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч; - тиристор переводиться з вимкненого стану у ввімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани; - для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно зменшити струм через такий прилад до нульового значення; - керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану у ввімкнений, значно менший (декілька десятків міліампер) при робочому струмі в декілька десятків ампер, тому тиристор має властивості підсилювача струму; - тиристор має спадаючу S-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ) і має властивості від'ємного резистора на спадаючій ділянці ВАХ. - середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від моменту подачі сигналу на керуючому електроді. Тиристор при цьому є регулятором потужності. Недоліком тиристорів є відносно низька швидкість перемикання із виключеного стану у стан високої провідності, що не дозволяє використовувати його при частоті перемикання більше 10 кГц. Наступним недоліком тиристора є відносно високе падіння напруги на р-n переходах у "включеному" стані, що досягає 2 В, Це призводить до розсіювання енергії на його переходах, яка досягає 200 Вт при струмі 100 А у стані високої провідності. Найбільш близьким по технічній суті до пропонованого технічного рішення є оптоелектронне реле, що містить матрицю послідовно включених фотодіодів, комутуючий пристрій і пристрій розряду, що виконаний на n-МДП та р-МДП транзисторах, причому стік n-МДП транзистора, затвор р-МДП транзистора і анод першого фотодіода підключені до першого входу комутуючого пристрою, витік n-МДП транзистора, обкладка конденсатора і анод фотодіода підключені до другого входу комутуючого пристрою. Катод першого фотодіода з'єднаний з витоком р-МДП транзистора, стік якого з'єднаний з затвором n-МДП транзистора і катодом другого фотодіода [патент РФ № 2163417 "ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ" МКВ Н03К17/78, Н03К17/00, від 20.02.2001р.]. Недоліком відомого пристрою є його складність та відсутність тригерного ефекту, який забезпечує знаходження реле у відкритому стані після припинення дії на нього керуючого сигналу, як, наприклад це має місце у випадку тиристора, що пояснюється відсутністю Sподібної вольт-амперної характеристики при функціонуванні відомого оптоелектронного реле. В основу пропонованого технічного рішення поставлено задачу спрощення конструкції при одночасному створенні швидкодіючого МДН-аналога тиристора, побудованого на основі технології "метал-діелектрик-напівпровідник" з ізольованим затвором. Поставлена задача вирішується за рахунок технічного результату, який полягає в тому, що за допомогою спеціального включення комплементарних МДН транзисторів створюються умови для позитивного зворотного зв'язку та існування S-подібної вольт-амперної характеристики у запропонованому електронному ключі, яка є аналогічною ВАХ тиристора. Для цього в електронному ключі, який містить р-МДН транзистор, n-МДН транзистор і два резистори, стік р-МДН транзистора підключений до затвора n-МДН транзистора, стік якого з'єднаний з затвором р-МДН транзистора, згідно з пропозицією введено діод Шотткі, вхід ключа з'єднаний з витоком р-МДН транзистора, стік якого з'єднаний з анодом діода Шотткі, витік nМДН транзистора з'єднаний з виходом ключа, а стік n-МДН транзистора підключений до катода діода Шотткі, керуючий вхід ключа підключений до затвора n-МДН транзистора і через перший резистор - до виходу ключа, вхід якого підключений до затвора р-МДН транзистора через другий резистор. 1 UA 79012 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Крім того, згідно з пропозицією затвор р-МДН транзистора підключений до додаткового керуючого входу електронного ключа. Крім того, згідно з пропозицією як діода Шотткі використано додатковий n-МДН транзистор, затвор якого з'єднано з його стоком. Між відмітними ознаками технічного рішення і досягнутими технічними результатом є причинно-наслідковий зв'язок. У відомому оптоелектронному реле комплементарні МДН транзистори працюють, як підсилювачі напруги без зворотного зв'язку, в результаті чого при припиненні дії світлового сигналу реле переходить у вихідний (високоомний стан) після повного розряду конденсатора. У запропонованому ключі утворено позитивний зворотний зв'язок і після припинення дії сигналу на керуючому вході електронний ключ продовжує знаходитися в стані великої провідності до моменту припинення подачі на нього напруги, або до моменту подачі сигналу на додатковий його керуючий вхід навіть при наявності напруги на вході електронного ключа. Технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлена схема електронного ключа з діодом Шотткі; на фіг. 2 - електрична схема з трьома МДН-транзисторами; на фіг. 3 зображена вольт-амперна характеристика (ВАХ) електронного ключа; на фіг. 4 - часова діаграма функціонування ключа при подачі на нього змінного струму. Електронний ключ на фіг. 1 містить р-МДН транзистор 1 та n-МДН транзистор 2, два резистори 3 і 4, стік 5 р-МДН транзистора 1 підключений до затвора 6 n-МДН транзистора 2, стік 7 якого з'єднаний з затвором 8 р-МДН транзистора 1, діод Шотткі 9, вхід 10 ключа з'єднаний з витоком 11 р-МДН транзистора 1, стік 5 якого з'єднаний з анодом діода Шотткі 9, витік 12 n-МДН транзистора 2 з'єднаний з виходом 13 ключа, а стік 7 n-МДН транзистора 2 підключений до катода діода Шотткі 9, керуючий вхід 14 ключа підключений до затвора 6 n-МДН транзистора 2 і через перший резистор 3 - до виходу 13 ключа, вхід 10 якого підключений до затвора 8 р-МДН транзистора 1 через другий резистор 4. Крім того, затвор 8 р-МДН транзистора 1 підключений до додаткового керуючого входу 15 електронного ключа. На фіг. 2 як діод Шотткі 9 застосовано додатковий n-МДН транзистор 16 затвор 17 якого з'єднано з його стоком 18 і з затвором 6 nМДН транзистора 2, а витік 19 n-МДН транзистора 16 підключений до затвора 8 р-МДН транзистора 1. Електронний ключ на фіг. 1 функціонує наступним чином. Запропонований електронний ключ є активним елементом в електричному колі джерела змінного струму 20 і послідовно включеного з ним навантаження 21 на фіг. 1. При нульовому значенні напруги джерела 20 змінного струму (див. фіг. 4,а) і нульовому потенціалі на керуючих входах 14, 15 МДН транзистори 1 і 2 закриваються, а зростання додатної напруги на вході ключа 10 від нуля до максимального значення не може відкрити МДН транзистори 1 і 2, оскільки затвор 8 р-МДН транзистора 1 підключений через резистор 4 до його витоку 11, а затвор 6 комплементарного n-МДН транзистора 2 підключений до його витоку 12 через резистор 3. В результаті на катоді діода Шотткі 9 діє додатний потенціал, а на його аноді - від'ємний і діод Шотткі не проводить струм. З тієї ж причини на стоці 5 р-МДН транзистора 1 існує нульовий потенціал, а на стоці 7 n-МДН транзистора 2 існує високий додатний потенціал відносно виходу 13. При зростанні напруги на керуючому вході 14 до відповідної додатної величини (див фіг. 3 та фіг. 4, в) відносно виходу 13 n-МДН транзистор 2 починає відкриватися, в результаті чого додатний потенціал на його стоці 7 зменшується. Таке зростання напруги на вході 14 може відбуватися, наприклад, шляхом подачі короткого світлового сигналу на матрицю фотодіодів 22. Зменшення потенціалу на стоці 7 приводить до відкривання р-МДН транзистора 1, що приводить до збільшення додатного потенціалу на резисторі 3. Таке зростання приводить до ще більшого відкривання комплементарного n-МДН транзистора 2 і подальшого зменшення додатного потенціалу на його стоці 7. В результаті наявності такого позитивного зворотного зв'язку відбувається лавинний процес відкривання обох МДН транзисторів 1 і 2 протягом часу, що становить десяті і соті частки наносекунди, в результаті чого на аноді діода Шотткі 9 формується додатний потенціал, а на його катоді - від'ємний. Діод Шотткі 9 відкривається і дозволяє проходження великого струму (до 150 А) по шляху: "відкритий р-МДН транзистор 1 відкритий діод Шотткі 9 - відкритий комплементарний n-МДН транзистор 2". Падіння напруги на відкритих МДН транзисторах 1 і 2 складає 0,25-0,3 В, а на відкритому діоді Шотткі - 0,5 В. В результаті цього падіння напруги на вході 10 електронного ключа відносно його виходу 13 визначається сумою падінь напруг на відкритих і послідовно включених МДН транзисторах 1, 2 і на діоді Шотткі 9, що складає від 1 В до 1,1 В. Ця величина майже не залежить від величини струму (див. фіг. 3) і є набагато меншою, ніж величина падіння напруги на відкритому тиристорі. В момент t0 на фіг. 4 вся потужність джерела струму 20 надходить на навантаження 21 (див. фіг. 4,6). Для подальшого зменшення падіння напруги на відкритому ключі на фіг. 2 замість 2 UA 79012 U 5 10 15 20 діода Шотткі включено додатковий n-МДН транзистор 16, затвор 17 якого підключений до його стоку 18. В результаті цього при відкриванні МДН транзисторів 1 і 2 МДН транзистор 16 відкривається також і на ньому падає напруга в межах 0,25-03 В. Це дозволяє отримати мінімальне падіння напруги на вході 10 відносно виходу 13, що становить не більше 0,75 В. Лавинний процес відкривання МДН транзисторів 1 і 2 дозволяє функціонувати електронному ключу при частоті зміни напруги джерела 20, що становить 10 МГц і більше. На відміну від тиристора, запропонований електронний ключ із включеного стабільного стану можна перевести в виключений стабільний стан в момент часу tЗ на фіг. 4,6 шляхом подачі додатного потенціалу на додатковий керуючих вхід 15 під час наявності ненульової напруги на виході джерела 20 (див. фіг. 4,г). При цьому р-МДН транзистор закривається і потенціал на його стоці 5 зменшується до нуля. Нульовий потенціал надходить на затвор 6 n-МДН транзистора 2 і закриває його, в результаті чого потенціал на його стоці 7 підвищується і підтримує р-МДН транзистор 1 в закритому стані після припинення дії керуючого сигналу на вході 15. Таким чином, шляхом застосування позитивного зворотного зв'язку комплементарних МДН транзисторів і включенню діода Шотткі вирішена задача збільшення швидкодії запропонованого ключа і забезпечення двох стабільних станів і s-подібної ВАХ (див. фіг. 3), аналогічної ВАХ тиристора. Це дозволяє створити швидкодіючий МДН аналог тиристора на монокристалі напівпровідника кремнію шляхом застосування технології "метал-окисел-напівпровідник". Такий напівпровідниковий прилад може мати чотири електроди (виводи), тому його пропонується назвати "тетристор". Проведені випробування показали ефективність функціонування запропонованого ключа "тетристора" у вторинних джерелах живлення при наявності ємнісного навантаження. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Швидкісний електронний ключ, що містить р-МДН транзистор (1), n-МДН транзистор (2) і два резистори (3 ,4), стік (5) р-МДН транзистора (1) підключений до затвора (6) n-МДН транзистора (2), стік (7) якого з'єднаний з затвором (8) р-МДН транзистора (1), який відрізняється тим, що введено діод Шотткі (9), вхід (10) ключа з'єднаний з витоком (11) р-МДН транзистора (1), стік (5) якого з'єднаний з анодом діода Шотткі (9), витік (12) n-МДН транзистора (2) з'єднаний з виходом (13) ключа, а стік (7) n-МДН транзистора (2) підключений до катода діода Шотткі (9), керуючий вхід (14) ключа підключений до затвора (6) n-МДН транзистора (2) і через перший резистор (3) до виходу (13) ключа, вхід (10) якого підключений до затвора (8) р-МДН транзистора (1) через другий резистор (4). 2. Електронний ключ по п. 1. який відрізняється тим, що затвор (8) р-МДН транзистора (1) підключений до додаткового керуючого входу (15) електронного ключа. 3. Електронний ключ по п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що як діод Шотткі (9) використано додатковий n-МДН транзистор (16), затвор (17) якого з'єднано з його стоком (18). 3 UA 79012 U 4 UA 79012 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5