Материал: Електронно-дірковий перехід

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.

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.

А б

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

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.

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРІ

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.

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).

а б

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