Тиристоры

Тиристоры - это обширный класс полупроводни­ковых приборов, используемых для электронного переключения. Эти полупроводниковые устройства обладают двумя устойчивыми состояниями и име­ют три или более p-n-переходов. Тиристоры охваче­ны внутренней положительной обратной связью, позволяющей увеличивать амплитуду выходного сигнала путем подачи на вход части выходного на­пряжения.

Тиристоры широко используются при управле­нии мощностью постоянного и переменного токов. Они применяются для включения и выключения мощности, подаваемой на нагрузку, а также для ре­гулирования ее величины, например для управления освещенностью или скоростью вращения дви­гателя.

Тиристоры изготавливаются из кремния диффу­зионным или диффузионно-сплавным методом и состоят из четырех полупроводниковых слоев p-типа и n-типа, расположенных поочередно. На рис. 11.10 изображены упрощенная схема тиристора (а), его вольтамперная характеристика (б) и его схемати­ческое обозначение (в).

А

Б В

Четыре слоя прилегают друг к другу, образуя три p-n-перехода. Два крайних вывода - это анод и катод, а к одному из средних слоев может быть под­ключен управляющий электрод. Данный тиристор не содержит управляющего электрода, и управле­ние его открыванием и закрыванием осуществляет­ся путем изменения приложенного к нему напряжения. Такие тиристоры называются динисторами.

При указанной на рис. 11.10,а полярности при­ложенного к тиристору напряжения, основная его часть придется на закрытый p-n-переход 2, тогда как переходы 1 и 3 окажутся открытыми. При этом дырки, переходящие из слоя p₁ в слой р₂ , частично рекомбинируют с электронами в слое п₁. Их некомпенсированный заряд в слое р_г вызовет вторич­ную встречную инжекцию электронов из слоя п₂, и электроны из слоя п_г пройдут через слой p₂ в слой п₁, частично рекомбинируя с дырками в слое p₂. Они вызовут вторичную встречную инжекцию дырок из слоя р₂. Эти явления создадут необходимые усло­вия для развития лавинного процесса. Однако ла­винный процесс начнется только при некотором достаточно большом внешнем напряжении U_nep . При этом тиристор перейдет из точки А вольтамперной характеристики на участок ВС (рис. 11.10, б), и ток через него резко возрастет. При этом благодаря оби­лию зарядов в переходе 2 напряжение на нем силь­но упадет (примерно до 1 В), и энергия, выделяемая в этом переходе, окажется недостаточной для раз­вития необратимых процессов в структуре прибора.

Если ток через тиристор сильно уменьшить до некоторого значения I_уд (тока удержания), то тири­стор закроется и перейдет в состояние с низкой про­водимостью (участок ОА на рис. 11.10, б). Если к тиристору приложить напряжение обратной поляр­ности, то его вольтамперная характеристика будет такой же, как у полупроводникового диода (участок OD на рис. 11.10,б).

Рассмотренный неуправляемый тиристор имеет существенный недостаток: его открывание и закры­вание возможно лишь при больших изменениях внешнего напряжения и тока.

Значительно чаще используют тиристоры, которые имеют управляющий электрод (рис. 11.11).

рис. 11.11

Управляемый тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух транзисторов (рис. 11.12)

Рис. 11.12

Анод должен иметь положительный потенциал по отношению к катоду, а управляющий электрод оставаться свободным, n-p-n транзистор не пропус­кает ток, поскольку на его эмиттерный переход не подано напряжение прямого смещения (обеспечи­ваемое коллектором p-n-p транзистора или управля­ющим сигналом). А поскольку n-p-n транзистор не пропускает ток, p-n-p транзистор также заперт (так как коллектор n-p-n транзистора обеспечивает сме­щение на базе р-п-р транзистора). При этих услови­ях ток от анода к катоду не течет.

Если на управляющий электрод подать положи­тельное напряжение по отношению к катоду, эмиттерный переход п-р-п транзистора будет смещен в прямом направлении и п-р-п транзистор откроется. Это позволит течь току базы р-п-р транзистора и от­кроет его. Коллекторный ток р-п-р транзистора явля­ется током базы п-р-п транзистора. Оба транзистора будут поддерживать друг друга в проводящем состо­янии, позволяя току течь непрерывно от анода к ка­тоду. Процесс будет происходить даже в том случае, если управляющее напряжение приложено на корот­кий момент времени. Кратковременная подача уп­равляющего напряжения переключает цепь в прово­дящее состояние, и она продолжает проводить ток даже при отключении управляющего напряжения. Ток анода ограничен только внешней цепью. Для переключения тиристора в непроводящее состояние необходимо уменьшить напряжение анод-катод до нуля. Это обеспечит запирание обоих транзисторов, и они останутся запертыми до тех пор, пока опять не будет подано управляющее напряжение.

Тиристор включается положительным управляю­щим напряжением и выключается уменьшением на­пряжения анод-катод до нуля. Когда тиристор вклю­чен и проводит ток от анода к катоду, его проводи­мость в прямом направлении достаточно велика. Если изменить полярность напряжения катод-анод, то че­рез цепь, проводимость которой резко уменьшится, будет течь только маленький ток утечки.

На рис. 11.13 изображено семейство вольтамперных характеристик управляемого тиристора при различных токах цепи управления.

рис. 11.13

Схематическое обозначение управляемого тирис­тора изображено на рис. 11.14.

Рис. 11.14

Схема включения тиристора показана на рис. 11.15. Переключатель используется для подачи и снятия управляющего напряжения.

Рис. 11.15

Резистор R₂ используется для ограничения тока управляющего электрода. Напряжение между ано­дом и катодом обеспечивается источником перемен­ного напряжения. Последовательно включенный

резистор R₁ используется для ограничения тока анод-катод во включенном состоянии. Без резистора R₁ через тиристор может течь слишком большой ток, способный повредить его.

Тиристоры используются главным образом для уп­равления подачей мощности постоянного и перемен­ного токов на различные типы нагрузок. Они могут быть использованы в качестве переключателей для включения и выключения цепей. Они также могут быть использованы для плавной регулировки мощ­ности, подаваемой на нагрузку. При использовании тиристоров малый ток управляющего электрода мо­жет управлять большим током нагрузки.

Когда тиристор используется в цепи постоянного тока, не существует простого метода его выключе­ния без снятия напряжения с нагрузки.

Когда тиристор используется в цепи переменно­го тока, он способен проводить ток только в течение половины каждого периода переменного тока, а именно в течение той половины, когда потенциал анода положителен по отношению к катоду. Когда ток управляющего электрода приложен постоянно, тиристор проводит постоянно. Когда ток управляю­щего электрода отсутствует в течение половины пе­риода, тиристор выключается и остается выключен­ным до тех пор, пока ток управляющего электрода не будет подан снова. Необходимо заметить, что при этом на нагрузку подается только половина мощно­сти. Тиристор можно использовать для управления током в течение обоих полупериодов каждого цик­ла, если выпрямить переменный управляющий ток перед подачей на тиристор.

Симистор - это двунаправленный управляемый тиристор. Он имеет такие же переключательные характеристики, как и обычный тиристор, но про­водит переменный ток в обоих направлениях. Симистор эквивалентен двум обычным тиристорам, включенным встречно-параллельно (рис. 11.16, а). Поскольку симистор может управлять током, те­кущим в любом направлении, он широко использу­ется для управления подачей переменного тока на различные типы нагрузок. Он может быть включен подачей тока на управляющий электрод и выклю­чен уменьшением рабочего тока до величины, мень­шей уровня удержания. На рис. 11.16 показаны упрощенная схема конструкции симистора и его эквивалентная схема.

А

Б

рис. 11.16

Симистор является четырехслойным устройством типа n-p-n-p, соединенным параллельно с устройством типа p-n-p-n и рассчитанным на управление током, текущим через управляющий электрод. Выводы входа и выхода обозначаются МТ₁ и МТ₂. Эти вы­воды соединены с p-n-переходами на противополож­ных концах устройства. Вывод МТ₁ представляет собой опорную точку, относительно которой изме­ряются напряжение и ток на управляющем элект­роде. Управляющий электрод соединен с p-n-переходом на том же конце устройства, что и МТ₁.От вывода МТ₁ до вывода МТ₂ сигнал должен пройти через последовательность слоев п-р-п-р или р-п-р-п. Схематическое обозначение симистора показано на рис. 11.17.

Рис. 11.17

Симисторы могут быть использованы в качестве переключателей переменного тока или для управ­ления величиной мощности переменного тока, по­даваемой в нагрузку. Симисторы способны передать в нагрузку полную мощность. Когда симистор ис­пользуется для регулировки величины мощности по­даваемой в нагрузку, необходимо специальное за­пускающее устройство для того, чтобы обеспечить работу симистора в течение заданного промежутка времени. Запускающее устройство необходимо по­тому, что симистор имеет неодинаковую чувстви­тельность к токам управляющего электрода, теку­щим в противоположных направлениях.

По сравнению с обычными тиристорами симисторы обладают рядом недостатков. Симисторы мо­гут управлять токами не более 25 А, тогда как обыч­ные тиристоры могут управлять токами до 1400 А.

Максимальное напряжение для симисторов – 500 В, а для обычных тиристоров - 2 600 В. Симисторы рассчитаны на работу при низких частотах (от 50 до 400 Гц), тогда как обычные тиристоры могут ра­ботать на частотах до 30 000 Гц. Симисторы также имеют трудности при переключении мощности на индуктивной нагрузке.

На рис. 11.18 показан внешний вид наиболее рас­пространенных тиристоров.

рис. 11.18

Биполярные транзисторы

В 1948г. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уиль­ям Шокли в лабораториях фирмы Bell изготовили первый работающий транзистор. Наверное, ни одно из открытий современной фи­зики не повлияло столь непосредственно на жизнь людей, как транзистор. Благодаря своим преиму­ществам перед электронной лампой транзистор со­вершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание и широкое использова­ние быстродействующих электронно-вычислитель­ных машин с большим объемом памяти. Наиболее очевидные преимущества транзистора: он имеет малый объем; работая при меньших значениях напряжений, не требует громоздких источников пи­тания; у него отсутствует нагреваемый катод, тре­бующий времени на разогрев и отвод тепла. И, на­конец, еще одно важное свойство транзистора, ко­торое особенно ценно при его применении в вычис­лительной технике - это малое количество потреб­ляемой энергии в расчете на один бит информации. По некоторым оценкам, эта энергия сравнима с энер­гией, используемой нейронами головного мозга.

Транзистор - это устройство, состоящее из двух p-n переходов, которое используется для управле­ния электрическим током. Изменяя величину на­пряжения, приложенного к его электродам, можно управлять величиной тока через транзистор и ис­пользовать его для усиления, генерации или пере­ключения.

Транзистор, как и диод, может быть изготовлен из германия или кремния, но кремний более попу­лярен. Биполярный транзистор состоит из трех об­ластей с чередующимся типом проводимости (по сравнению с двумя у диода). Эти три области могут быть расположены двумя способами.

В первом случае материал p-типа расположен между двумя слоями материала n-типа, образуя n-p-n транзистор (рис. 11.19, а). Во втором случае слой материала n-типа расположен между двумя слоями материала p-типа, образуя p-n-p транзистор (рис. 11.19, б).

А Б

рис. 11.19

У транзисторов обоих типов средняя область на­зывается базой, а внешние области называются эмит­тером и коллектором. Схематические обозначения транзисторов обоих типов показаны на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Транзистор может использоваться различными способами, но основной его функцией является уси­ление сигналов.

Для того чтобы области эмиттера, базы и кол­лектора взаимодействовали должным образом, к транзистору должно быть правильно приложено на­пряжение. Напряжение, приложенное от внешнего источника э.д.с. к p-n-переходу, называется смеще­нием. При прямом смещении (плюс подан на p-область, а минус - на n-область), p-n-переход открыт и ток через него (прямой ток) может достигать боль­ших значений. При обратном смещении p-n-переход закрыт, и ток через него (обратный ток) очень мал. В правильно смещенном транзисторе эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а кол­лекторный переход - в обратном.

Рис. 11.21

Правильно смещенный транзистор типа п-р-п по­казан на рис. 11.21.

Смещение в прямом направлении заставляет элек­троны течь с эмиттера п-р-п транзистора (напомним, что направление тока противоположно направлению движения электронов). При прямом смещении по­тенциал базы положителен по отношению к эмит­теру. Положительный потенциал притягивает электроны, создавая поток электронов из эмиттера. На электроны, притянутые базой, начинает влиять по­ложительный потенциал, приложенный к коллектору. Большинство электронов притягивается к кол­лектору и к положительному выводу источника тока, создающего обратное смещение. Небольшая часть электронов поглощается областью базы и поддер­живает небольшой поток электронов от базы. Для того чтобы это имело место, область базы должна быть предельно тонкой.

В правильно смещенном р-п-р транзисторе выво­ды источников тока необходимо поменять местами (рис. 11.22), и направление потока электронов из­менится на противоположное.

Рис. 11.22

Как и в диоде, в транзисторе существует потен­циальный барьер. В транзисторе потенциальный ба­рьер возникает у перехода эмиттер-база. Для того чтобы электроны могли проходить через этот пере­ход, внешнее смещение должно превышать это на­пряжение. Величина внутреннего потенциального барьера определяется типом используемого полупро­водникового материала. Как и в диодах, величина внутреннего потенциального барьера составляет 0,3 В для германиевых транзисторов и 0,7 В для кремние­вых.

К переходу коллектор-база транзистора также должен быть приложен положительный потенциал, достаточно высокий для того, чтобы притягивать большинство электронов, поставляемых эмиттером. Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база, обычно намного выше напряжения прямого смещения, приложенного к переходу эмиттер-база, снабжающего электронами этот источник более высокого напряжения.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы с р-п-переходом

Полевой транзистор с p-n-переходом - это устрой­ство, управляемое напряжением, в котором работают только основные носители. Эти транзисторы состоят из полупроводниковых материалов n- и р-типа и спо­собны усиливать электронные сигналы, но их кон­струкция отличается от конструкции биполярных транзисторов и их работа основана на других прин­ципах. Для того чтобы понять, как работают поле­вые транзисторы с p-n-переходом, необходимо знать их конструкцию.

Вазой таких транзисторов является подложка, изготовленная из слаболегированного полупровод­никового материала. Подложка может быть из ма­териала n- или p-типа. p-n-переход в подложке изго­товляется как методом диффузии, так и методом выращивания. Важную роль играет форма p-n-перехода. На рис. 11.23 показано сечение встроенной области в подложке.

Рис. 11.23

U-образная область называется каналом, она утоп­лена по отношению к верхней поверхности подлож­ки. Когда канал сделан из материала n-типа, в под­ложке из материала р-типа образуется полевой тран­зистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала р-типа, в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с p-n-переходом имеет три вывода (рис. 11.23). Один вывод соединен с подлож­кой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала, образуют исток (И) и сток (С). Неважно, какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен- Схе­матические обозначения для полевых транзисторов с p-каналом и с n-каналом показаны на рис. 11.24.

рис. 11.24

Работа полевых транзисторов с p-n-переходом тре­бует двух внешних источников смещения. Один из источников (Е _си) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Е _ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекаю­щего через канал. Полярности напряжений смеще­ния для полевых транзисторов с n-каналом и р-каналом показаны на рис. 11.25.

Рис. 11.25

Рассмотрим работу транзистора с n-каналом. Ис­точник тока Е_СИ подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает прохожде­ние тока через канал, так как основными носителя­ми в материале n-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током сто­ка полевого транзистора (I_С). Канал служит сопро­тивлением для приложенного напряжения (Е_СИ).

Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потен­циал по отношению к истоку. Это обусловливает фор­мирование обратно смещенного p-n-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности p-n-перехода, который распространяет­ся вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение E_cи складывается с напряжением Е_зи , создавая более высокое напря­жение обратного смещения, чем у истока.

Размером обедненного слоя управляет напряже­ние Е_зи . При увеличении Е_зи толщина обедненно­го слоя увеличивается. При уменьшении Е_зи тол­щина обедненного слоя уменьшается. При увеличе­нии толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала. Это уменьшает величину тока, ко­торый в состоянии пройти через него. Таким обра­зом, Е_зи можно использовать для управления то­ком стока (I_С), который протекает через канал. Уве­личение - Е_зи уменьшает I_с.

При обычной работе входное напряжение прикла­дывается между затвором и истоком. Результирую­щим выходным током является ток стока (I_с). В полевом транзисторе с p-n-переходом для управле­ния выходным током используется входное напря­жение. В биполярном транзисторе для управления выходным током используется не напряжение, а входной ток.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обрат­ном направлении, полевой транзистор с p-n-переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом на­правлении, через затвор потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивле­ния и уменьшит усиление транзистора. Величина напряжения, которое требуется для уменьшения I_С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток (E_ЗИотс). Это значение указывается произво­дителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Е_СИ ) управляет разме­ром обедненного слоя. При увеличении Е_си увели­чивается также I_с. При некотором значении Е_СИ величина I_С перестает расти, только незначительно увеличиваясь при дальнейшем увеличении E_cи .Это

происходит потому, что при увеличении напряже­ния Е_си увеличивается разность потенциалов меж­ду затвором и стоком, что приводит к увеличению размера обедненного слоя со стороны стока и соот­ветственно к увеличению сопротивления канала. Когда это имеет место, говорят, что I_С достиг насы­щения. Значение Е_СИ , при котором I_С достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Е_н ). Величина Е_н обычно указывается произво­дителем при значении Е_зи , равном нулю. При этом величина Е_н близка к -Е_ЗИотс .

Полевые транзисторы с р-каналом и с n-каналом имеют одинаковые характеристики. Основное раз­личие между ними - в направлении тока стока (I_с) через канал. В полевом транзисторе с р-каналом полярность напряжений смещения (Е_ЗИ , Е_СИ ) про­тивоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом n-типа.