ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР СО ВСТРОЕННОЙ ЗАЩИТОЙ В ЦЕПЯХ УПРАВЛЕНИЯ И НАГРУЗКИ
SEMICONDUCTOR DEVICE WITH BUILT-IN PROTECTION IN CONTROL AND LOAD CIRCUITS

Изобретение относится к области электроники, полупроводниковой техники, а именно к полупроводниковым приборам с отрицательной дифференциальной проводимостью и с встроенной защитой от пробоя.
Уровень техники
Известны приборы с отрицательной проводимостью на базе комбинации различных биполярных и полевых транзисторов [IEEE. Transactions on Circuits and Systems, 1985, №1, p.46-61]. Известны полупроводниковые структуры двуэлектродных и трехэлектродных приборов на базе интегрированных в одном объеме полупроводника биполярных и полевых транзисторов [Зарубежная электронная техника, 10 (244), Москва, 1981]. Применение этих приборов ограничивается переключающей и генераторной техникой.
Известны интегральные полупроводниковые приборы, состоящие из реализованных в одном объеме полупроводникового материала двух комплиментарных полевых транзисторов, истоки которых соединены, затвор первого полевого транзистора соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго соединен со стоком первого [пат. США №4064525, 1977 г.], применяемые для создания переключающих приборов ячеек памяти и для создания генераторов.
Известны способы последовательной или параллельной комбинации двух и более устройств с отрицательной дифференциальной проводимостью и отрицательным сопротивлением для создания элементов памяти и логических элементов [Electronics letters, April 2006, Vol.42, №9; IEEE, 2006, p. 1325-1328]. Известны многоустойчивые полупроводниковые приборы, содержащие два комплиментарных полевых транзистора, затвор первого из которых соединен со стоком второго полевого транзистора и с одним из внешних выводов прибора, а затвор второго полевого транзистора соединен со стоком первого полевого транзистора и со вторым внешним выводом прибора, в цепи истоков полевых транзисторов включен один или несколько приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (например, тиристор) или с отрицательной дифференциальной проводимостью (например, туннельный диод). Целью такой комбинации приборов является увеличение разнообразия получаемых вольтамперных характеристик и увеличение количества участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением [А.С. СССР №748811, 1980 г.].
Однако данные комбинации приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением не решают задачи защиты приборов от скачков токов и напряжений в цепях управления и нагрузки, а также повышения надежности полупроводниковых приборов.
Известны интегральные транзисторы со встроенной защитой от перенапряжения [пат. 2175461, Рос. Федерация, Опубл. 1998], в котором последовательно в цепь базы монолитно включается полевой транзистор, затвор которого подключен к коллектору, либо омически, либо через обратно-смещенный стабилитрон, сток этого транзистора монолитно совмещен с активной областью базы. Управление напряжением, при котором начинается падение тока, вследствие перекрытия канала производится стабилитроном, выполненным в виде отдельного элемента или в виде обособленной области кристалла. В данном случае защита осуществляется только в цепи коллектора (нагрузки) биполярного транзистора. Недостатком такого прибора является отсутствие защиты прибора от скачков тока и напряжения во входной (базовой) цепи и наличие отдельного элемента - стабилитрона в периферийной области кристалла.
Для преодоления указанных недостатков и решения задачи создания полупроводникового прибора со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки предлагается данное изобретение.
Технический результат: повышение надежности работы полупроводниковых управляемых током приборов, в том числе с отрицательной дифференциальной проводимостью.
Технический результат достигается за счет комбинации двух приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью, при этом для достижения защиты от скачков тока и напряжения в цепь управляющего электрода первого трехэлектродного полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью включен последовательно второй полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью. При этом второй полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью может выполняться неуправляемым двухэлектродным или управляемым трехэлектродным. Такой комбинированный прибор имеет передаточные и выходные N-образные вольт-амперные характеристики.
Раскрытие изобретения:
Особенностью приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью является наличие на выходной вольт-амперной характеристике падающего участка тока при возрастающем напряжении питания. Это обстоятельство предполагает использование приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью в качестве элементов защиты компонентов и узлов электронной техники от скачков тока и напряжения. При изменении выходного тока выше максимального прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью переходит в выключенное состояние, в котором при малом токе на приборе падает практически все напряжение источника питания, тем самым отключая нагрузку.
Однако скачки напряжения и тока могут происходить и в цепях управления.
Предлагаемый полупроводниковый прибор со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки реализован на базе комбинации приборов с отрицательной проводимостью. В цепь управляющего электрода первого трехэлектродного полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью (фиг.1) включен последовательно второй полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью. При этом второй полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью может выполняться неуправляемым двухэлектродным (фиг.1а) или управляемым трехэлектродным (фиг.1б).
Управление первым трехэлектродным полупроводниковым прибором с отрицательной дифференциальной проводимостью происходит посредством модуляции тока вторым двухэлектродным или управляемым трехэлектродным прибором с вольт-амперной характеристикой, содержащей участок отрицательной дифференциальной проводимости. При этом реализуются передаточные и выходные вольт-амперные характеристики, содержащие участки отрицательной дифференциальной проводимости.
Прибор работает следующим образом:
При увеличении напряжения на входе такого комбинированного прибора его управляющий ток будет возрастать до момента, когда ток второго двухэлектродного или трехэлектродного полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью достигнет максимального значения. Далее с ростом напряжения второго полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью происходит снижение тока, протекающего через него, а следовательно, и тока управления первого трехэлектродного полупроводникового прибора. Тем самым происходит ограничение тока управления и возникновение участка отрицательной проводимости на передаточной вольт-амперной характеристике комбинированного прибора. При этом выходная вольт-амперная характеристика первого трехэлектродного прибора также имеет участок отрицательной дифференциальной проводимости.
Вариант полупроводникового прибора со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки может быть реализован на базе комбинации двухэлектродного λ-диода и схемы трехэлектродного прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью с шунтированием база-эмиттерного перехода основного транзистора вторым биполярным транзистором того же типа (фиг.2).
3
4
4
3
4
Цепь положительной обратной связи в первом трехэлектродном приборе с отрицательной дифференциальной проводимостью образована шунтирующим транзистором Т, коллектор-эмиттерная цепь которого управляет величиной тока база - эмиттер основного транзистора Т. При малых значениях коллекторного напряжения основного транзистора Т его эмиттерный переход закрыт и ток утечки базы минимален. При дальнейшем увеличении напряжения коллектор - эмиттер эмиттерный переход шунтирующего транзистора Т открывается, и прибор из режима отсечки переходит в активный режим работы, уменьшая, таким образом, ток базы основного транзистора Т и, следовательно, ток коллектора, что приводит к возникновению падающего участка тока при возрастающем напряжении на выходной характеристике.
При увеличении напряжения на входе такого комбинированного прибора его управляющий ток будет возрастать до момента, когда ток второго двухэлектродного прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью - λ-диода достигнет максимального значения. Далее с ростом напряжения на λ-диоде происходит снижение тока, протекающего через него, а в данном случае и тока управления первого трехэлектродного прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью (фиг.2). Тем самым происходит ограничение тока управления и возникновение участка отрицательной проводимости на передаточной вольт-амперной характеристике комбинированного прибора. При этом схема имеет передаточные и выходные N-образные вольт-амперные характеристики.
K
КЭ
БЭ
K
БЭ
Для подтверждения работоспособности схемы прибора (фиг.2) проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены в виде поверхности на фиг.3. Сечение этой поверхности плоскостью (I, U) при фиксированном напряжении U дает выходную вольт-амперную характеристику, а сечение плоскостью (I,U) - передаточную. В ходе эксперимента в качестве полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом использовались транзисторы КП103 и КП302, в качестве биполярных - КТ3102.
КЭ
Также возможна реализация предлагаемого полупроводникового прибора со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки и дополнительным электродом. В качестве первого прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью можно использовать схему с шунтированием база-эмитерного перехода основного транзистора вторым биполярным транзистором того же типа (фиг.4), а в качестве второго - схему λ-диода с дополнительным полевым транзистором с управляющим p-n-переходом. Тогда при использовании дополнительного электрода можно управлять значением тока максимума второго прибора, т.е. величиной ограничения скачков тока в цепи управляющего электрода первого полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, и тем самым расширить функциональные возможности предлагаемого полупроводникового прибора со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки. На фиг.5 приведены зависимости выходного тока при фиксированном напряжении на коллекторе прибора (U=0,4 В) и при изменении напряжения на первой и второй базе. При увеличении напряжения на второй (дополнительной) базе ток коллектора также возрастает.
Предлагаемый полупроводниковый прибор со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки может найти применение в устройствах электроники, полупроводниковой преобразовательной техники, мехатроники, микросистемной техники, бортовой электроники, микропроцессорных системах, а также системах телекоммуникаций.
Источники информации
1. Chua L.O., Yu J., Yu Y. Bipolar-JFET-MOSFET Negative Resistance Devices // IEEE. Transactions on Circuits and Systems, 1985, №1, P.46-61.
2. Галузо В.Е., Матсон Э.А., Мельничук В.В. Зарубежная электронная техника, 10 (244), Москва, 1981.
3. Пат. США №4064525, 1977 г.
4. K.-J.Gan, Y.-H.Chen, C.-S.Tsai and L.-X.Su, Four-valued memory circuit using three-peak MOS-NDR devices and circuits // ELECTRONICS LETTERS, April 2006, Vol.42, №9.
5. Dong-Shong Liang, Cheng-Chi Tai, Design of AND and NAND Logic Gate Using NDR-BASED Circuit Suitable for CMOS Process // IEEE, 2006, p. 1325-1328.
6. A.C. №748811, 1980 г.
7. Пат. РФ №2175461, опубл. 1998.