Полупроводниковые переключающие приборы

5.1. Диодный тиристор

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p–n переходами, имеющие вольт-амперную характеристику S-типа.

В зависимости от числа выводов тиристоры бывают диодные (динисторы), триодные (тринисторы) и тетродные.

В основу тиристора положен монокристалл с чередующими р- и n-областями (рис. 5.1). Крайние области p1 и n2 называются эмиттерами, а средние n1 и p2-базами. Крайние переходы П1, П3 называют эмиттерными, а средний переход П2 – коллекторным. Омический контакт к внешнему p-слою называется анодом, а к внешнему n-слою – катодом, а к базе – управляющим электродом.

Полупроводниковые переключающие приборы

Чтобы снять характеристику динистора, необходимо в качестве источника электрического питания использовать генератор тока. В зависимости от величины тока, протекаемого через тиристор между катодом и анодом, возникает соответствующая разность потенциалов.

Если к аноду приложить отрицательное напряжение относительно катода, то все переходы закрыты и через структуру протекает обратный ток (участок ОА рис. 5.1,б) – режим обратного запирания. А при дальнейшем увеличении обратного напряжения возможен электрический пробой (участок АЕ – режим обратного пробоя).

Пусть к аноду приложено небольшое положительное напряжение относительно катода (рис. 5.1,а). Переходы П1 и П3 включены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном, и поэтому почти все приложенное напряжение падает на нем. Участок ОВ вольт-амперной характеристики аналогичен обратной ветви характеристики диода и его называют режимом прямого запирания.

С увеличением анодного напряжения увеличивается прямое напряжение на эмиттерных переходах. Дырки, инжектированные из p1-эмиттера в n1-базу диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в p2-базу, где и накапливаются. Дырки, остановленные потенциальным барьером П3, образуют в p2-базе избыточный положительный заряд и одновременно понижают высоту потенциального барьера П3, что вызывает увеличение инжекции электронов из n2-эмиттера в p2-базу. Затем эти электроны диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в n1-базу, и накапливаются в ней. Дальнейшему движению электронов препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Эти электроны, кроме того, понижают потенциальный барьер перехода П1 и способствуют росту инжекции дырок из p1-области. Таким образом в тиристоре существует положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению тока через тиристор. В результате накопления избыточного положительного заряда в p2-базе и отрицательного в n1-базе происходит компенсация объемного заряда коллекторного перехода, его сопротивление резко падает, и при некотором Uвкл (напряжении включения) происходит резкое возрастание тока, протекающего через тиристор, и одновременно уменьшается падение напряжения на всем тиристоре. Тиристор из закрытого состояния переходит в открытое, и этому соответствует участок В1 вольт-амперной характеристики (рис. 5.1,б) с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

После того, как тиристор включился, все три перехода смещены в прямом направлении, и этому соответствует участок ГД вольт-амперной характеристики. Тиристор работает в режиме прямой проводимости. Ток, протекающий через тиристорную структуру, ограничивается только нагрузочным резистором, включенным последовательно с тиристором.

Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях – закрытом (выключенном) и открытом (включенном). Закрытое состояние характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и малым протекающим током, т.е. тиристор обладает большим сопротивлением. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1…3 В), а протекающий через него ток велик, тиристор имеет малое сопротивление.

Тиристор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока избыточный заряд в базах смещает коллекторный переход в прямом направлении за счет тока, протекающего через структуру.

Структура тиристора может быть представлена в виде соединения двух транзисторов, разной электропроводимости (рис. 5.1,в), так что коллекторный ток транзистора p1-n1-p2 является базовым током транзистора n1-p2-n2, а коллекторный ток транзистора n1-p2-n2 является базовым током транзистора p1-n1-p2.

Таким образом, между базовыми и коллекторными токами транзисторов существует положительная обратная связь, которая обеспечивает переключение структуры при условии, что коэффициент положительной обратной связи больше единицы. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи

Полупроводниковые переключающие приборы , (5.1)

где Полупроводниковые переключающие приборы , Полупроводниковые переключающие приборы – коэффициенты передачи постоянных токов эмиттеров транзисторов, Полупроводниковые переключающие приборы , Полупроводниковые переключающие приборы – обратные токи коллекторов транзисторов.

Так как Iк=Iк1=Iк2, то с учетом (5.1) получим

Полупроводниковые переключающие приборы . (5.2)

С учетом коэффициента лавинного умножения M в коллекторном переходе получим

Полупроводниковые переключающие приборы , (5.3)

Полупроводниковые переключающие приборы (5.4)

В обычных условиях работы тиристора М = 1.

Полупроводниковые переключающие приборы В соответствии с (5.4) переключение тиристора в открытое состояние происходит при возрастании суммарного коэффициента передачи до 1. В каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице даже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начальных величин коэффициента передачи одну из баз тиристора делают довольно толстой по сравнению с диффузионной длиной соответствующих неосновных носителей. На практике один из эмиттерных переходов шунтируется объемным сопротивлением базы (рис. 5.2).

Такое шунтирование обеспечивает малые значения Полупроводниковые переключающие приборы , Полупроводниковые переключающие приборы при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этом идет по шунтирующему сопротивлению базы, минуя эмиттерный переход ЭП2. При больших напряжениях уменьшается сопротивление ЭП2, и весь ток будет проходить через ЭП2, минуя шунтирующее сопротивление базы.

При таком конструктивном исполнении тиристор переходит в открытое состояние при постоянном напряжении включения, т.е. тиристор имеет жесткую характеристику переключения. При слабой зависимости Полупроводниковые переключающие приборы и Полупроводниковые переключающие приборы от напряжения и тока тиристора напряжение включения различно и тиристор имеет мягкую характеристику переключения. Обозначение динисторов в схеме показана на рис. 5.1,г.

Триодный тиристор

Триодные тиристоры (рис. 5.1,а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, называемый управляющим электродом. В зависимости от того, из какой области базы сделан вывод триодные тиристоры делятся на управляемые по катоду (рис. 5.1,д) и управляемые по аноду (рис. 5.1,е). Принцип их работы одинаков, отличие заключается лишь в полярности внешних напряжений, подаваемых на управляющий электрод.

У триодных тиристоров управляемых по катоду в управляющую цепь подают положительный управляющий сигнал, а для управляющих по аноду – отрицательный. При подаче на управляющий электрод напряжения необходимой полярности через эмиттерный переход увеличивается инжекция носителей, изменяется коэффициент передачи тока эмиттера одной из транзисторных структур, увеличивается суммарный коэффициент передачи тиристора, и уменьшается напряжение переключения.

Случайные записи:

Полупроводниковые приборы


Похожие статьи:

Добавьте постоянную ссылку в закладки. Вы можете следить за комментариями через RSS-ленту этой статьи.
Комментарии и трекбеки сейчас закрыты.