Переключательные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

К переключательным полупроводниковым приборам относятся тиристоры, однопереходные и лавинные транзисторы. Тиристоры - это многослойные переключающие структуры с двумя устойчивыми состояниями равновесия. Имеют 4 или более p-n слоев и 3 или более p-n переходов.

Делятся на:

    А) неуправляемые тиристоры - двухэлектродные - динисторы или диод-тиристоры; Б) управляемые тиристоры - управляются по одному из средних электродов - тринисторы или триод-тиристоры.

Приборы с выводом от всех четырех электродов с управлением по средним электродам - тетрод-тиристор.

На рисунке 7.1 приведена структура динистора.

Эту структуру можно представить, как сочетание двух транзисторов:p-n-p и n-p-n типов (рисунок 7.2), где по аналогии с биполярным транзистором p1, n2 - эмиттеры, n1, p2 - базы, П1, П3 - эмиттерные переходы, П2 - коллекторный переход.

П1 и П3 смещены в прямом, П2 - в обратном направлении. Почти все внешнее напряжение U падает на переходе П2. Через прибор течет ток I = Iко запертого коллекторного перехода.

При увеличении U до Uвкл на П2 развивается ударная ионизация и лавинный пробой, образуются новые пары носителей. Полем П2 электроны отбрасываются в n1-базу., а дырки в р2-базу. Концентрация основных носителей в базах увеличивается. Электроны в n1-базе, подходя к левому ЭП _ П1, нейтрализуют положительный заряд ионов, уменьшая потенциальный барьер. Это увеличивает поток дырок из р1 в n1, затем через П2. Аналогичные процессы происходят с правым П3 переходом. Увеличивается поток электронов. Процесс развивается лавинообразно.

Ток через П2 и весь прибор увеличивается. Через П2 протекает суммарный ток

,

Где М - коэффициент умножения;

Б1, б3 - коэффициенты передачи тока от П1 и П3 к П2.

Так как токи через все три перехода одинаковы и равны внешнему, то можно записать

I = . (7.1)

Здесь б = б1 + б3

- суммарный коэффициент передачи тока от обоих эмиттеров к коллектору.

Обычно базы изготавливаются разной толщины: Р2 - толстая, w › L (диффузионная длина) и коэффициент передачи тока б3 ‹‹ 1, n1 - тонкая, w ‹ L, б1 ?1.

Выражение (7.1) является ВАХ в неявном виде, т. к. М=f(U).

Построим по (7.1) ВАХ динистора (рисунок 7.3).

ВАХ можно разбить на 4 участка:

    А) 1 - при малых значениях напряжения П2- закрыт, б ‹‹ 0,5. C увеличением напряжения, б увеличивается, но слабо, сильно растет М. Участок характеризуется: малыми токами и большими напряжениями - прибор выключен; Б) П - при U = Uвкл произведение М-б=1, т. е. знаменатель в (7.1) = 0. Коллекторный переход П2 смещается в прямом направлении. Коэффициенты передачи тока б1 и б3 сильно возрастают, но знаменатель не может быть меньше нуля, т. к. ток прямой. Следовательно, увеличение б должно сопровождаться уменьшением М, а уменьшение М возможно при уменьшении U, поэтому возрастание тока сопровождается уменьшением U. Это переходный участок с отрицательным сопротивлением, процесс идет лавинообразно; В) Ш - динистор включен, напряжения малы, токи велики и ограничиваются включением последовательного сопротивления в цепи динистора; Г) 1У - прибор выключен, обратная ветвь ВАХ, как у обычного диода.

У динистора габариты меньше по сравнению с другими переключающими схемами (реле), но он имеет и недостаток - невозможность управления моментом включения.

Прибор имеет дополнительный вывод от управляющего электрода, от n1 или р2 (рисунок 7.4) - обычно от тонкой базы n1 (б ?1). Поэтому возможно управление моментом включения прибора. На рисунке 7.5 приведена ВАХ тиристора. Здесь Iу _ ток управления, при Iy0 характеристика совпадает с характеристикой динистора. Изменяя Iу, можно менять Uвкл независимо от внешнего напряжения.

С увеличением Iу увеличивается б, Мб = 1 наступает раньше при меньшем Uвкл. При некотором Iу участок отрицательного сопротивления исчезает и получается спрямленная характеристика.

Достоинством тиристора является возможность управления моментом его включения. Применяются тиристоры в импульсных схемах, усилителях, генераторах, выпрямителях и др.

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, необходимо уменьшить ток в тиристоре до тока удерживающего или до тока выключения.

Используются разновидности:

    А) запираемые триодные тиристоры - запираются при подаче через управляющий электрод короткого импульса Uобр на эмиттерный переход; Б) симисторы или симметричные тиристоры проводят ток в оба направления.

На рисунке 7.6,а) приведена структура симметричного динистора - диака, а на рисунке 7.6,б) _ его вольт-амперная характеристика.

В таблице 6.1 приведены условные графические обозначения тиристоров.

Таблица 6.1

Наименование прибора

Обозначение

Динистор

Тиристор с управлением по тонкой базе

Тиристор с управлением по толстой базе

Запираемый тиристор с управлением по тонкой базе

Запираемый тиристор с управлением по толстой базе

Диак

Триак

Однопереходный транзистор _ это полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и тремя выводами. Также называется двухбазовым диодом, т. к. он имеет один р-n переход и два базовых вывода, но это менее точное название. Представляет собой кристалл n-типа (база), в котором создается эмиттерная область р-типа. Однопереходный транзистор напоминает по структуре полевой транзистор с управляющим p-n переходом, но принцип действия другой. Здесь база не является каналом, меняющим свое сопротивление за счет изменения площади поперечного сечения.

Участки n-базы мысленно разделим на верхнюю Б2 и нижнюю Б1. Участок базы Б1 - р-n переход - эмиттер Э выполняют роль диода. Участок базы Б2 - плечо в делителе напряжения смещения Uб.

Вольт-амперная характеристика транзистора

IЭ = f(Uэ)| =const

Приведена на рисунке 7.2.

В точке 0 при UБ > 0 и Uэ = 0 через Б1 и Б2 течет небольшой ток смещения и создает падение напряжения UБ1 на участке базы Б1, которое является обратным для эмиттерного перехода. Через переход течет обратный ток IЭ0.

На участке 0А напряжение UБ > 0, 0 ? UЭ ? UБ1, переход (ЭБ1) смещен в обратном направлении и течет ток IЭ0, причем при увеличении UЭ ток IЭ0 уменьшается.

В точке А ток IЭ0 = 0 при UЭ0 = UБ1.

На участке АВ (UЭ > UЭ0) р-n переход смещается в прямом направлении и течет прямой ток IЭ, который увеличивается с ростом UЭ.

В точке В при протекании прямого тока IЭ в базе Б1 идет накопление носителей, сопротивление RБ1 и напряжение UБ1 уменьшаются, а уменьшение UБ1 равносильно увеличению UЭ относительно Б1. При UЭ = UВКЛ этот процесс идет лавинообразно: допустим IЭ увеличивается, тогда RБ1 уменьшается, уменьшается UБ1, Uэ увеличивается, уменьшается потенциальный барьер цк, увеличивается инжекция и ток Iэ, уменьшается RБ1 и т. д.

На участке ВС резко увеличивается IЭ, уменьшается UЭ, это участок отрицательного сопротивления.

В точке С, когда слой Б1 насыщается зарядами, его сопротивление перестает уменьшаться.

На участке СД ток Iэ увеличивается из-за увеличения Uэ.

При увеличении IЭ ВАХ смещается параллельно вправо, при уменьшении UБ _ влево, при UБ = 0 _ совпадает с характеристикой диода.

На рисунке 7.3 приведена схема включения транзистора.

Однопереходные транзисторы используются как ключевые элементы в генераторах, переключателях, усилительных устройствах.

Достоинствами прибора являются простота и стабильность UЭВКЛ.

Недостатки - низкое быстродействие (100...300 кГц ), большие мощность рассеивания и остаточное напряжение, несовместимость по уровню сигналов с другими дискретными элементами

Похожие статьи




Переключательные полупроводниковые приборы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая