Електронно-дірковий перехід

Для вимикання диністора необхідно зменшити прямий струм до значення, що не перевищує значення струму утримування (точка В), або подати на диністор напругу зворотної полярності.

Після зміни полярності зовнішньої напруги емітерні переходи зміщуються у зворотному напрямку, а КП залишається прямозміщеним. Вся зворотна напруга розподіляється між зворотнозміщеними високоомними переходами ЕП1,2. При зворотній напрузі ВАХ тиристора така сама, як і у звичайного діода для зворотного вмикання.

Зворотну гілку ВАХ диністора можна поділити на дві області: ІV - область зворотного зміщення та V - область пробою структури.

Таким чином, керування струмом диністора можливе або за рахунок зміни значення і напрямку напруги зовнішнього джерела, прикладеної між анодом і катодом пристрою при незмінному опорі навантаження (Rн = соnst), або за рахунок зміни опору навантаження при незмінній напрузі зовнішнього джерела (U = соnst).

Структуру диністора можна уявити у вигляді двох різнотипних біполярних транзисторів: VТ1 тиру p-n-p і VТ2 типу n- p- n. Перехід ЕП1 для VТ1 є емітерним переходом, як і перехід ЕП2 для VТ1. Полярність напруг на переходах біполярних транзисторів відповідає активному режиму. Через колекторні переходи обох транзисторів протікають струми ІК1 = а1 ІЕ1 та ІК2 = а2 ІЕ2 , де

ІЕ1 і ІЕ2 - струми через ЕП1 і ЕП2 відповідно;

а1, а2 - коефіцієнти передачі струму відповідних транзисторів.

У міру підвищення напруги U на колекторному переході - КП, його струм, як анодний струм диністора: ІА = ІЕ1 = ІЕ2 = ІК = а1 ІЕ1 + а2 ІЕ2 + ІК0 = ІА ( а1 + а2 ) + ІК0 , де ІК0 - сумарний зворотний струм КП, від збільшення коефіцієнтів а буде зростати.

Останній вираз можна записати в іншому виді:

.

Вираз підтверджує наявність на ВАХ ділянці ІІІ, тому що при малих значеннях напруги U і струму ІА сума і ІА = ІК0. Потім струм зростає за рахунок зростання суми а1 + а2, яка, однак, не досягає значення одиниці на цій ділянці. У точці А створюються умови для відкривання диністора при напрузі UВМ. Причиною відкривання диністора є зростання складових струмів а1 ІЕ1 та а2 ІЕ2 порівняно зі струмом ІК0.

На ділянці І диністор відкритий. В точці В сума а1 + а2 = 1, струм через перехід визначається сумою складових а1 ІЕ1 та а2 ІЕ2 , а падіння напруги на КП визначається падінням напруги на малих опорах прямозміщених переходів ЕП1,2.

На ділянці І загальний струм зростає, що збільшує коефіцієнти а та їхню суму а1 + а2 > 1. Під дією об'ємних зарядів, що накопичуються в базах диністора, полярність напруги на КП змінює напрямок. Всі три переходи тепер є прямозміщеними, але напруга на переходах ЕП1,2 протилежна за знаком напрузі на КП. Тому падіння напруги на диністорі приблизно дорівнює падінню на одному переході, тобто (0,5…1,0) В.

Тріодний тиристор (надалі просто тиристор) -- це чотиришарова pl-nl-p2-n2-структура, в якій одна з базових областей керівна (рис. 2, а ). Залежно від того, яка база (p2 або nl) зроблена керівна, розрізняють тиристори з анодним та катодним керуванням. Базовий вивід дає можливість керувати струмом близько розміщеного емітера. На базу необхідно подати Uкер - напругу керування такої полярності, яка б забезпечила вмикання відповідного емітерного переходу. В тиристорах з катодним керуванням (як на рис. 2, а) джерело керування вмикається між керівним електродом (p2) та катодом. Якщо джерело керування вмикається між керуючим електродом (nl) та анодом, здійснюється схема з анодним керуванням. У результаті процеси вмикання та вимикання тиристора здійснюються не за рахунок прикладеної між анодом та катодом напруги зовнішнього джерела (як у диністора), а за рахунок зміни струму Ікер - керувального електрода ( КЕ ), який є вхідним електродом, увімкненим в електричне коло тиристора.

ВАХ тиристора при різних струмах керування наведені на рис. 2, б.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

А б

Рис. 2. Структура (а) та ВАХ (б) тиристора

Якщо на клерувальний електрод КЕ подати струм керування Ікер > 0, то струми триністора будуть відповідати виразу: , в якому в струм ІЕ2 тепер входить також струм Ікер.

Як видно з рисунку, зі збільшенням струму керування Ікер перемикання тиристора відбувається при меншому значенні напруги вмикання UВМ.

При достатньому значенні струму керування Ікер = Іспр, що називається струмом спрямлення, ділянка закритого стану зникає і вид прямої гілки ВАХ тиристора аналогічний прямій гілці ВАХ діода. При Ікер0 = 0 ВАХ тиристора аналогічна ВАХ диністора, тобто тиристор ввімкнеться тільки тоді, коли пряма напруга перевищить визначене для даного типу тиристора значення (Ubm0). В режимі, керованому через КЕ, напругу живлення U вибирають меншою від Ubm0. Тоді через триністор і опір навантаження Rн проходить малий струм. У потрібний момент поданням імпульсу струму на КЕ триністор переводять стрибком у провідний стан. Сила струму у провідному стані визначається напругою живлення U і опором навантаження Rн.

Зворотна гілка ВАХ триністора така сама, як у диністора. Диністори і триністори, що були розглянуті, за виглядом ВАХ несиметричні.

Для електричних кіл змінного струму розроблено спеціальний прилад -- симетричний тиристор (симістор, тріак), який може бути у провідному стані в обох напрямках (тобто незалежно від полярності, прикладеної до нього напруги). Керування симетричним тиристором здійснюється так само, як і тиристором. Симетричний тиристор, на відміну від тиристора, має п'ятишарову структуру напівпровідника з різного виду провідностями р- та п-типу.

Структура і ВАХ симістора наведені на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

А б

Рис. 3. Структура (а) і ВАХ (б) симістора

4.2 Електричні параметри тиристорів

На ВАХ тиристора можна виділити таки характерні величини, що є його параметрами:

ІАном - номінальний анодний струм в провідному стані;

UЗАЛ - залишкова напруга на тиристорі в провідному стані;

Ubm, Івм - напруга і струм вмикання;

ІУТ - струм утримання, тобто мінімальний струм, при якому тиристор що ввімкнено;

І0 - струм витікання через прилад в непровідному стані;

UПР.max, UЗВ.max - максимальні допустимі пряма і зворотна напруги;

tВМК - час з моменту подання імпульсу, який відкриває тиристор, до моменту зменшення напруги до 0,1 початкового значення;

tВиМК - час, доки при зворотній напрузі тиристор не переведеться в непровідний стан.

Тиристори випускають на діапазон струмів від десятків міліампер до сотен ампер і напруг від десятків вольтів до декількох кіловольтів.

Більшість типів тиристорів вмикаються струмами зі значеннями декілька сотень міліампер при напругах на керівному електроді, не перевищуючих 10 В. Тривалість керівного імпульсу має бути більше декількох мікросекунд (залежно від типу тиристора). Для чіткого та швидкого вмикання тиристора керівні імпульси повинні мати крутий фронт (близько 1 мкс). Сигнал керування потрібний тільки під час переходу тиристора з вимкненого стану в увімкнений. Тривалість імпульсу керування має бути більшою за час вмикання тиристора tімп > tВМК.

Тиристори малої та середньої потужності використовують у релейній та комутаційній апаратурі, а великої потужності - у схемах автоматичного керування електроприводом і в системах перетворення електричної енергії.

5. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРІ

5.1 Конструкція та основні види польових транзисторів

У напівпровідникових підсилювачах електричних сигналів широко використовують польові транзистори (ПТ).

Польовими транзисторами називають напівпровідникові прилади, в яких керування струмом, що тече по струмопровідному каналу, здійснюється поперечним електричним полем.

ПТ на відміну від біполярних є уніполярними напівпровідниковими приладами, оскільки протікання в них струму обумовлено дрейфом основних носіїв заряду одного знаку (або електронів, або дірок) через керований поперечним електричним полем канал p- або n-типу. Тобто, ПТ - напівпровідниковий підсилюючий прилад, яким керує не струм (як у БТ), а напруга, звідси і назва - польовий.

Принцип роботи ПТ ґрунтується на тому, що шляхом зміни напруженості поперечного електричного поля змінюють провідність каналу, яким протікає струм вихідного кола. Це дає змогу керувати потужністю, яка поступає від джерела живлення в навантаження. ПТ має високий вхідний опір, малий рівень власних шумів, доволі високу термостабільність та радіаційну стійкість.

Нині існують два різновиди ПТ, які відрізняються один від одного методом виготовлення та електричними характеристиками. Це прилади з керувальним р-n-переходом та ізольованим затвором. ПТ з ізольованим затвором мають класичну структуру метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-транзистор). Оскільки діелектриком зазвичай є оксид (SiO2), то транзистори зі структурою метал-оксид-напівпровідник називають МОН-транзисторами. Залежності від провідності каналу польові транзистори поділяють на р- та n-канальні.

Схемне позначення ПТ з керувальним р-n-переходом та його структура показані на рис. 1.

Прилад складається з пластини кремнію електропровідністю n-типу, що являє собою канал ПТ, до торців якої приєднані два металеві контакти, які називають витоком та стоком. Електрод ПТ, за допомогою якого формується поперечне електричне поле, називають затвором (З). Електрод, від якого починається рух носіїв заряду у каналі, - це витік (В), електрод, що приймає ці носії, - стік (С). Керівним (вхідним, або малопотужним) колом польового транзистора є затвор-витік, керованим (вихідним, або потужним) - коло стік-витік. Залежно від того, який з виводів є спільним для входу і виходу, розрізняють три схеми вмикання ПТ: із спільним витоком (СВ), із спільним затвором (СЗ) і спільним стоком (СС).

а б

в

Рис. 1. Схемне позначення ПТ з каналом n-типу (а), з каналом р-типу (б), структура ПТ із затвором р-типу та каналом n-типу (в)

На рис. 2 зображено ПТ з керувальним р-n-переходом, увімкнений за схемою з СВ.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 2. ПТ з керувальним р-n-переходом, увімкнений за схемою з СВ

На р-n-перехід ( затвор-витік ) подається зворотна напруга UЗВ . При UЗВ = 0 струм стоку в каналі IC = IC поч має максимальне значення, оскільки переріз каналу максимальний. Змінюючи напругу на затворі UЗВ можна змінювати переріз каналу (розширенням або звуженням збіднених шарів переходів), а отже, й опір каналу та струм що протікає через нього. Напруга між затвором і витоком, при якій струм стоку IC = 0, називають напругою відсічки - UЗВ від.

Розглянуті процеси ілюструє стоко-затворна характеристика ПТ (характеристика керування) ІС = f (UЗВ) при UСВ = const (рис. 3, а).

На рис. 3, б показана сім'я стокових характеристик ІС = f (UСВ), при UЗВ = const. Розглянемо характеристику сім'ї при UЗВ= 0. При малих значеннях UCB і малому ІС транзистор веде себе як лінійний опір і збільшення напруги приводить до майже лінійного збільшення струму стоку. У міру зростання UCB характеристика ІС = f (UСВ) все сильніше відхиляється від лінійної (область І на рис. 3). Нелінійний характер струму стоку пояснюється тим, що із зростанням напруги UCB переріз каналу зменшується, причому тим більше, чим ближче до стоку. При цьому провідність каналу зменшується і зростання струму сповільнюється. Коли напруга на стоці досягає рівня так званої напруги насичення, відбувається повне перекриття збідненими шарами каналу на стоку. Подальше збільшення UСВ призводить до слабкого збільшення струму стоку (область ІІ на рис. 3), оскільки одночасно збільшується опір каналу, а струм стоку досягає значення струму насичення IС поч. Очевидно, що при UЗВ = 0, UСВ нас = UЗВ від. Режим пологої ділянки ВАХ називають режимом насичення.

За умови |UЗВ | > 0 під дією двох напруг UЗВ і UCB розширюються збіднені шари і зменшується переріз каналу, напруга насичення зменшується і для будь-якого значення напруги на затворі UЗВ становить UСВ нас = UЗВ від - UЗВ.

Зі зміщенням напруги UСВ нас зменшується також струм насичення IС поч стоку. В робочому режимі використовують пологі ділянки вихідних характеристик. За умови великих напруг на стоці настає пробій структури (область ІІІ на рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

а б

Рис. 3. Стокозатворні (а) та стокові (б) характеристики ПТ з керувальним р-n-переходом для схеми вмикання з СВ

Схемне зображення МОН-транзистора з вбудованим каналом р- та n-типу надано на рис. 4, а, б, структура останнього - на рис. 4, в.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

в)

Рис. 4. Схемне зображення МОН-транзистора з вбудованим каналом р-типу (а) та n-типу (б), структура МОН-транзистора з вбудованим каналом n-типу (в)

В МОН-транзисторах із вбудованим каналом тонкий поверхневий канал відокремлений від затвору шаром двооксиду кремнію. Тип провідності каналу збігається з типом провідності витоку та стоку. Стік та витік виконані більш легованими, ніж канал, вони позначені n+. Основа, або підкладка, служить виключно для створення робочих зон МОН-транзистора та надання міцності приладу. Через наявність напруги між витоком і стоком струм у колі стоку IС буде протікати навіть при нульовому зміщенні на затворі UЗВ = 0.

а б

Рис. 5. Сімейство стоко-затворних (а) та стокових характеристик (б) МОН-транзистора з вбудованим каналом n-типу

Якщо до затвору відносно витоку і підкладки прикласти від'ємну напругу, то дірки з підкладки втягуватимуться в канал, а електрони виштовхуватимуться. Провідність каналу, що позбавлений частини електронів, зменшується, в результаті чого струм стоку падає. Такий режим називають режимом збіднення. За умови UЗВ = UЗВ від вбудований канап зникає, і струм стоку дорівнює нулю (рис. 5, б). Позитивне зміщення на затворі (UЗВ > 0) викликає приплив у канал електронів, унаслідок чого він розширюється, а струм стоку збільшується. Такий режим роботи МОН-транзистора називають режимом збагачення.

У МОН-транзисторі з індукованим каналом за відсутності напруги на затворі каналу немає. Канал виникає у при поверхневому шарі основи підкладки лише при поданні на затвор прискорюючої напруги відносно витоку. Тому такий транзистор може працювати лише у режимі збагачення. Схемне зображення МОН-транзистора з індукованим каналом р- та n-типу надано на рис. 6, а, б, ВАХ останнього - на рис. 6, в.

в

Рис.4. Схемне зображення МОН-транзистора з індукованим каналом р-типу (а) й n-типу (б) та ВАХ останнього (в)

Основними параметрами ПТ є:

1. Крутизна вольт-амперної характеристики ( визначається за стоко-затворною характеристикою ):

S = ДІС / ДUЗВ при UСВ = const,

характеризує підсилювальні властивості приладу. Числові значення цього параметра становлять 0,1 ч 10 мА/В.

2. Внутрішній (вихідний) опір транзистора

Ri = RВИХ = Д UСВ / ДІС при UЗВ = const,

напівпровідник транзистор електронний перехід

характеризує нахил вихідної характеристики на ділянці насичення.

Оскільки на пологих ділянках вихідних характеристик струм стоку змінюється дуже мало, то цей параметр змінюється також дуже мало. Внутрішній опір має значення сотень кОм - одиниць МОм.

3. Вхідний опір транзистора - RВХ = Д UЗВ / ДІЗ при UСВ = const.

Оскільки струм затвору ІЗ визначається зворотним струмом переходу, то вхідний опір ПТ дуже великий: 106 …109 Ом.

4. Коефіцієнт підсилення за напругою - м = S Ri = ДUСВ / ДUЗВ при ІС= const.

Типовим значенням м є 50...200.

Размещено на Allbest.ru