1.1.5. Диоды Шоттки

а) б) n n+1 Рис.1.7 Диод Шоттки а) условное обозначение; б) конструкция

Это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника. В диодах Шоттки (ДШ, рис.7) накопления неосновных носителей не происходит, так как перенос тока в них обусловлен переходом основных носителей из полупроводника в металл. Благодаря этому время включения (восстановления) очень мало (до 0,1 нс). Другое достоинство ДШ состоит в том, что для его отпирания требуется напряжение 0,2...0,4 В, что позволяет их использовать в электронных устройствах с биполярными транзисторами, повышая быстродействие последних. Кроме того, микросхемы с транзисторами с ДШ потребляют значительно меньшую мощность, чем аналогичные схемы с обычными транзисторами.

1.1.6. Импульсные диоды

Импульсные диоды – это полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов и предназначенные для применения в импульсных режимах работы. Обычно они работают при больших сигналах.

При подаче на диод прямого напряжения ток устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление инжектированных неосновных носителей. Передний фронт получается искаженным. Однако этот процесс протекает быстро и не имеет столь большого значения, как переходные процессы при восстановлении обратного тока.

При переключении диода с прямого на обратное напряжение в начальный момент наблюдается большой обратный ток, который тем больше, чем больше был прямой ток перед подачей обратного напряжения. При подаче обратного напряжения инжектированные носители рекомбинируют или уходят через переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения I._нас Для импульсных диодов вводится параметр – время восстановления обратного сопротивления или тока t _вос , равное интервалу времени между моментом переключения диода с прямого на обратное напряжение и моментом, когда обратный ток достигнет заданного значения.

По этому параметру импульсные диоды подразделяются на две группы:

1) скоростные, или микросекундные, с 0,1 мкс<tвос.<0,1 мс,

2) сверхскоростные, или наносекундные, tвос.<0,1 мкс.

1.1.7. Тиристоры

Тиристоры широко применяются при создании управляемых выпрямителей, инверторов, как ключевые элементы в различных устройствах автоматики и регулирования.

Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор

p–n–p–n, т.е. прибор с тремя p–n–переходами (рис.1.8). Наружный слой р₁ является анодом А, а наружный слой n₂–катодом К. К промежуточному слою р₂ подведен управляющий электрод У.

Тиристор – это полупроводниковый вентиль ключевого типа. Он имеет два рабочих состояния: “включено”, когда его сопротивление может быть принято равным нулю, и “выключено”, когда его прямое сопротивление принимается равным бесконечности. Поэтому он называется прибором ключевого типа. Тиристор приводится в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса тока положительной полярности, когда к его аноду приложено положительное напряжение. Время включения тиристора в зависимости от его типа составляет от 1 до 25 мкс. После включения тиристора импульс управления можно снять, вентиль остается в открытом состоянии. Открытый тиристор становится неуправляемым по цепи управления, и выключить его, подняв минус на управляющий электрод, нельзя.

Для прекращения состояния проводимости тиристора необходимо снизить напряжение источника анодного питания практически до нуля. Время выключения составляет от 10 до 250 мкс.

Рис. 1.8 Схема включения и ВАХ тиристора

Вольт–амперная характеристика тиристора представлена на рис.1.8. Построение выполнено для трех значений тока управления I_у1> I_у= 0. Обратная ветвь вольт–амперной характеристики тиристора аналогична обратной ветви вольт–амперной характеристики полупроводникового диода и не зависит от тока управления I_у. При прямом анодном напряжении U_пр вольт–амперная характеристика имеет две резко отличающиеся области. Одна из них соответствует запертому состоянию тиристора (горизонтальный участок характеристики), в котором его анодный ток очень мал (измеряется единицами или долями миллиампера), из за чего все напряжение источника анодного питания оказывается приложенным между катодом и анодом тиристора. Вторая область прямой ветки вольт–амперной характеристики соответствует открытому состоянию тиристора (вертикальный участок характеристики).

Процесс перехода от запертого состояния к состоянию высокой проводимости называется включением (или переключением) тиристора, анодное напряжение, при котором происходит этот процесс, называется напряжением переключения U_пер.

После переключения напряжение на тиристоре снижается примерно до 1 В. Ток тиристора в этом случае ограничивается практически только сопротивлением нагрузки I_a=E_a/R_a. С ростом тока управления напряжение переключения тиристора уменьшается. Ток управления, при котором в прямой ветви вольт–амперной характеристики исчезает область запирания, называется током управления спрямления I_{у спр}. При I_{у спр} вольт–амперная характеристика тиристора спрямляется, приобретает такой же вид, какой имеет вольт–амперная характеристика полупроводникового диода. Напряжение включения при I_у=I_{у спр} близко к нулю.

В реальных схемах тиристор управляется током I_у>I_{у спр}, что обеспечивает быстрое и надежное включение тиристора практически при любом прямом напряжении на тиристоре.

Для уяснения принципа действия тиристора представим себе, что мы снимаем его вольт – амперную характеристику. Сначала будем ее снимать при токе I_у=0, для чего увеличиваем прямое напряжение Е_а (см. рис.1.8). Так как плюс подается на слой р₁, а минус – на n₂, то переходы 1 и 3 открыты, а переход 2 закрыт. Поэтому все прямое напряжение приложено к переходу 2. Переход 2 выдерживает довольно высокое напряжение, которое в зависимости от типа тиристора может достигать многих сотен вольт. В переходе 2 действует электрическое поле высокой напряженности, которое определяется напряжением источника Е_а и незначительной шириной перехода.

При значительной напряженности электрического поля в переходе 2 образуются электронно–дырочные пары за счет столкновения неосновных носителей, протекающих через переход (дырки из p₁ и электроны из n₂), с атомами кристаллической решетки. Это приводит к дальнейшему увеличению тока. При определенной напряженности электрического поля в переходе 2 (т.е. при определенном напряжении Е_а) описанный процесс развивается лавинообразно, и тиристор переходит в открытое состояние. При подаче на p₂ положительного напряжения (I_у>0) увеличивается инжекция электронов из n₂ через переход 3 в p₂. В тиристоре протекают описанные выше процессы, но с большими токами неосновных носителей через переход 2. Это приводит к уменьшению необходимой напряженности электрического поля в переходе 2 для образования дополнительных носителей за счет столкновения с атомами решетки. В конечном счете, лавинообразное нарастание тока через тиристор происходит при меньшем напряжении Е_а, т.е. при меньшем напряжении переключателя U_пер.

В настоящее время тиристоры выпускаются на токи до сотен ампер и напряжения более двух киловольт. Например, тиристор ТЧ125 (тиристор частотный) имеет следующие основные параметры:

– средний выпрямляемый ток I_ср=125 А;

– прямое и обратное напряжение до 1200 В;

– время выключения t_выкл<30 мкс.