40.Полупроводниковые приборы

Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал, или проще полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. Одни из них - медь, железо, алюминий и другие металлы - хорошо проводят электрический ток - это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят ток. Они непроводники, изоляторы (диэлектрики). Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

 

Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс - к аноду, минус - к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод "наоборот", то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.

 

Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг "пробивается" и начинает пропускать ток. Напряжение "пробоя" называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения. Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки - метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода - это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.

 

Транзисторы. Из полупроводниковых приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор - усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое - за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления. Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база - эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор - эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.

 

Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-n-р или n-р-n. Так различаются транзисторы с разным чередованием слоев полупроводниковых материалов (если в диоде два слоя материала, здесь их три). Но не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно. Усилительные способности транзистора определяются его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важен, и он оговаривается в описании. О том, как его измерить, вы узнаете позже. Чтобы при подключении того или иного транзистора к деталям самоделки не перепутать выводы, нужно четко знать их расположение - цоколевку. 

На схемах диод обозначается буквами VD, а транзистор - VT.

Существует еще один тип диодов - Лямбда - диод:

Лямбда - диод не является представителем нового класса полупроводниковых приборов - он получается путем включения двух комплементарных (взаимодополняющих) полевых транзисторов. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет строить на его основе очень простые генераторы РЧ колебаний. На рисунке в качестве примера приведена схема простейшего высокочастотного генератора всего из трех деталей. Генераторы, собранные на основе Лямбда - диода обладают очень хорошей температурной стабильностью, большой и стабильной амплитудой выходного сигнала. Такой диод можно изготовить, например, из полевых транзисторов типов КП103 и КП303. Максимальная граничная частота  Лямбда-диода может достигать десятков мегагерц.

отдельный класс полупроводниковых приборов представляют собой так называемые полупроводниковые оптоприборы

К этому классу относятся, например, свето и фотодиоды. Промышленностью выпускаются также фототранзисторы и фоторезисторы. Существуют полупроводниковые лазеры. Спектр рабочих волн таких приборов простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. Позже мы обязательно поговорим об этом...

Резисторы

 Самым используемым элементом в радиотехнических устройствах является - резистор (старое название - сопротивление). Основная характеристика резистора - сопротивление, измеряется в омах. Выпускается два вида резисторов: стабильные и общего назначения. Производство стабильных резисторов дорого и поэтому они используются в дорогой высокоточной аппаратуре. Мы же будем использовать резисторы общего назначения. Их сопротивление может изменятся в пределах 10% (зависит от ТКС). У обычных резисторов ТКС (Температурный Коэффициент Сопротивления) положителен то есть с увеличением температуры увеличивается сопротивление. Только у одного простого элемента он отрицателен: у углерода.

Одной из основных характеристик является рассеиваемая мощность. Рассеиваемая мощность это мощность, которую резистор может рассеять без повреждения. Измеряется в ваттах. Находится по формуле мощность=ток² * сопротивление.

У каждого вещества есть свое сопротивление, у некоторых оно очень большое (дерево, пластмасса), у других маленькое (металлы, жидкости). Сопротивление зависит от материала (у золота оно будет меньше чем у алюминия), от длинны проводника (зависимость прямая: чем длиннее тем больше сопротивление) и от площади среза проводника (чем площадь больше тем сопротивление меньше).

Теперь же поговорим об использовании постоянных резисторов в схемах. Обозначение постоянных резистроров на принципиальных схемах:

	Стандартное обозначение
	0,05 Вт
	0,125 Вт
	0,25 Вт
	0,5 Вт
	1 Вт
	2 Вт

Если при сборке схемы вы не обнаружили резистор с нужным сопротивлением то можно поставить два и более резистора последовательно (их суммарное сопротивление и будет нужным сопротивлением). Можно поставить параллельно и найти их сопротивление по формуле 1/R_обш = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃.

В основном будем использовать углеродистые резисторы. Если вы сломаете (ради интереса, конечно) то увидите слой керамики покрытую тонкой углеродистой пленкой.

Большинство резисторов маркируется цветовыми полосками (обычно их четыре, реже 5), или цифровым обозначением. Например 1R означает, что резистор имеет сопротивление в 1 ом, 1.5K - в 1.5 килоом (1500 ом). Определить сопротивление по цветовым полосам можно с помощью программы "Rezistor", скачать её можно в разделе "Программы"

Существуют так же и переменные резисторы, обладающие способностью изменять своё сопротивление. Их применяют для изменения тока, напряжения и др. (например: изменение громкости и тембра). Чаще всего на принципиальной схеме отображаются так: Про их типы ниже.

Переменные резисторы бывают:

1) одинарные и сдвоенные 2) одно и многооборотные 3) с выключателем и без него

По характеру изменения сопротивления:

1) Линейные т. е. Пропорционально углу поворота оси (группа А) 2) Обратно логарифмической т. е. сначала понемногу, а потом резко увеличивается (группа Б) 3) Логарифмические (группа В) 4) И другие (группы Е, И)

Бывают проволочные и не проволочные (пленочные) переменные резисторы. Проволочные отличаются высокой стабильностью, сравнительно малым уровнем своих шумов и низким ТКС.

41Дио́д (от др.-греч. δις^[1] — два и -од^[2] означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

Типы диодов

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Диоды

Полупроводниковые

Не полупроводниковые

Газозаполненные

Вакуумные

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).

[править]Специальные типы диодов

• Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.

• Варикапы(диоды Джона Джеумма). Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.

• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.

• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют оптический резонатор, излучают когерентный свет.

• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.

• Солнечный элемент. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

• Лавинный диод — диод, основанный на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики. Применяется для защиты цепей от перенапряжений

• Лавинно-пролётный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.

• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

• Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.

• pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

[править]Применение диодов

[править]Диодные выпрямители

Трёхфазный выпрямительЛарионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазнойполномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Если соединено последовательно и согласно(в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.

[править]Диодные детекторы

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов.Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.

[править]Диодная защита

Диоды применяются для защиты устройств от неправильной полярности включения, защиты входов схем от перегрузки, защиты ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т. п.

Два входа защищены диодными цепочками. Внизу — трёхвыводная защитная диодная сборка в сравнении со спичечной головкой

Для защиты входов аналоговых и цифровых схем от перегрузки используется цепочка из двух диодов, подключенных к шинам питания в обратном направлении, защищаемый вход подключается к средней точке этой цепочки. При нормальной работе диоды закрыты и почти не оказывают влияния на работу схемы. При уводе потенциала входа за пределы питающего напряжения один из диодов открывается и шунтирует вход схемы, ограничивая таким образом допустимый потенциал входа диапазоном в пределах питающего напряжения плюс прямое падение напряжения на диоде. Такие цепочки могут быть уже включены в состав ИС на этапе проектирования кристалла, либо предусматриваться при разработке схем узлов, блоков, устройств. Выпускаются готовые защитные сборки из двух диодов в трёхвыводных «транзисторных» корпусах.

Для сужения или расширения диапазона защиты вместо потенциалов питания необходимо использовать другие потенциалы в соответствии с требуемым диапазоном. При защите от мощных помех, возникающих на длинных проводных линиях, например, при грозовых разрядах, может потребоваться использование более сложных схем, вместе с диодами включающих в себя резисторы, варисторы, разрядники^[4][5].

При выключении индуктивных нагрузок (таких как реле, электромагниты, магнитные пускатели, электродвигатели) возникает ЭДСсамоиндукции:

,

где   — индуктивность,   — ток через индуктивность,   — время.

ЭДС самоиндукции препятствуюет уменьшению силы тока через индуктивность и «стремится» поддержать ток на прежнем уровне. При выключении тока энергия магнитного поля, созданного индуктивностью, должна где-то рассеяться. Магнитное поле, создаваемое индуктивной нагрузкой, обладает энергией:

,

где   — индуктивность   — ток через индуктивность,.

Таким образом, после отключения индуктивность сама становится источником тока и напряжения, а возникающее на закрытом ключенапряжение может достигать высоких значений и приводить к искрению и обгоранию контактов механических и пробою полупроводниковых ключей поскольку в этих случаях энергия будет рассеиваться непосредственно на само́м ключе. Диодная защита является простой и одной из широко распространённых схем, позволяющих защитить ключи с индуктивной нагрузкой. Диод включается параллельно катушке так, что в рабочем состоянии диод закрыт. При отключении тока возникающая ЭДС самоиндукции направлена против ранее приложенного к индуктивности напряжения, эта противо-ЭДС открывает диод, ранее шедший через индуктивность ток продолжает течь через диод и энергия магнитного поля рассеется на нём, не вызывая повреждения ключа.

В схеме защиты с одним только диодом напряжение на катушке будет равным падению напряжения на диоде в прямом направлении — порядка 0,7–1,2 В, в зависимости от величины тока. Из-за малости этого напряжения ток будет спадать довольно медленно и для ускорения выключения нагрузки может потребоваться использование более сложной защитной схемы: стабилитрон последовательно с диодом, диод в комбинации с резистором, варистором или резисторно-ёмкостной цепочкой^[6].

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии

42 Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. На принципиальных схемах обозначается «VT» или «Q». В русскоязычной литературе и документации до 1970-х гг. применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Классификация транзисторов

Обозначение транзисторов разных типов. Условные обозначения: Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база; З — затвор, И — исток, С — сток.

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «Металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы:

• Германиевые

• Кремниевые

• Арсенид-галлиевые

Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

По структуре

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

• Биполярные

  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».

  • p-n-p структуры, «прямой проводимости»

• Полевые

  • с p-n переходом

  • с изолированным затвором

• Однопереходные

• Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)^{[источник не указан 1091 день]}

[править]Комбинированные транзисторы

• Транзисторы со встроенными резисторами (Resistor-equippedtransistors (RETs)) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами.

• Транзистор Дарлингтона — комбинация двух биполярных транзисторов, работающая как биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.

  • на транзисторах одной полярности

  • на транзисторах разной полярности

• Лямбда-диод — двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.

• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами

[править]По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

• маломощные транзисторы до 100 мВт

• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт

• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

[править]По исполнению

• дискретные транзисторы

  • корпусные

    • Для свободного монтажа

    • Для установки на радиатор

    • Для автоматизированных систем пайки

  • бескорпусные

• транзисторы в составе интегральных схем.

[править]По материалу и конструкции корпуса

• металло-стеклянный

• пластмассовый

• керамический

[править]Прочие типы

• Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью.^[1]

• Биотранзистор

[править]Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

• Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.

• Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.

• Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.

• Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

• Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.^[2][3] Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.^[4][5] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.

• Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

• Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а такжеимпульсные источники питания.

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах. Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

43.Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (напримертринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

[править]Устройство и основные виды тиристоров

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою —катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором^[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричныйтринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

[править]Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

• Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

• В точке 1 происходит включение тиристора.

• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.

• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам

Режимы работы триодного тиристора

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Лавинный пробой.

2. Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W_n1слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W_n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I_E, коллектора I_C и базы I_B и статическим коэффициентом усиления по току α₁ p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I_Со— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I_g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I_B1 = (1 — α₁)I_A — I_Co1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α₂равен I_C2 = α₂I_K + I_Co2.

Приравняв I_B1 и I_C2, получим (1 — α₁)I_A — I_Co1 = α₂I_K + I_Co2. Так как I_K = I_A + I_g, то 

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α₁ + α₂ < 1, ток I_A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I_A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V_AK = V₁ + V₂ + V₃. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения _VAK = (_V1 — |V₂| + _V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p⁺-i-n⁺)-диоду…

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ А/с, напряжения — 10⁹ В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.