Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ЕМСТ_1_3
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
РТ
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
7.1. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ З КЕРУЮЧИМ N-P ПЕРЕХОДОМ
Широке поширення отримали польові транзистори, які називають також канальними або уніполярними на відміну від біполярний транзисторів. Ідею побудови цих приладів запропонував в 1952 р. один з винахідників біполярний транзистора У. Шоклі. Головна перевага польових транзисторів - високий вхідний опір, який може бути таким же, як і в електронних лампах, і навіть більший. У цей час біполярні транзистори все частіше і частіше витісняються польовими.
Принцип роботи і ввімкнення польового транзистора з керуючим n-p-переходом, а також його умовне графічне позначення показані на рис.7.1. Пластинка з напівпровідника, наприклад, n-типу має на протилежних кінцях електроди, за допомогою яких вона ввімкнена у вихідне (кероване) коло підсилювального каскаду. Це коло живиться від джерела E2, і в нього ввімкнене навантаження Rн. Вздовж транзистора проходить вихідний струм основних носіїв. У нашому прикладі це електронний струм. Вхідне (керуюче) коло транзистора утворене за допомогою третього електрода, що являє собою область з другим типом електропровідності. У нашому випадку це р-область. Джерело живлення вхідного кола Е1 створює на єдиному п-р-переході даного транзистора зворотну напругу. Напругу іншої полярності, тобто пряму напругу, на п-р-перехід не подають, оскільки тоді вхідний опір буде дуже малим. У вхідне коло ввімкнене джерело підсилюваних коливань ДК.
Фізичні процеси в польовому транзисторі відбуваються таким чином. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на n-р-переході, і від цього змінюється товщина закриваючого (збідненого) шару, обмеженого на рис.7.1 штриховими лініями. Відповідно цьому змінюється площа поперечного перетину області, через яку проходить потік основних носіїв заряду, тобто вихідний струм. Ця область називається каналом.
Електрод, з якого в канал витікають основні носії заряду, називають витоком (В). З каналу носії проходять до електрода, який називається стоком (С). Витік і стік аналогічні катоду і аноду електронної лампи відповідно. Керуючий електрод, призначений для регулювання площі поперечного перетину каналу, називається затвором (3), і в якійсь мірі він аналогічний сітці вакуумного тріода або базі біполярний транзистора, хоч, звичайно, за фізичним принципом роботи затвор і база цілком різні.
Якщо збільшувати напруги затвора Uз-в, то закриваючий шар n-р-переходу стає товстіший і площа поперечного перетину каналу зменшується. Отже, його опір постійному струму R0 зростає і струм стоку іс стає меншим. При деякому значенні закриваючої напруги uз-в.зап. площа поперечного перетину каналу стане рівною нулю і струм iс буде дуже малим. Транзистор закривається. А при Uз-в = 0 перетин каналу найбільший, опір R0 найменший, наприклад декілька сотень ом, і струм iс виходить найбільшим. Для того, щоб вхідна напруга можливо більш ефективно керувала вихідним струмом, матеріал основного напівпровідника, в якому створений канал, повинен бути високоомним, тобто з невисокою концентрацією домішок. Тоді закриваючий шар в ньому виходить більшої товщини. Крім того, початкова товщина самого каналу (при Uз-в = 0) повинна бути досить малою. Звичайно вона не перевищує декількох мікрометрів. Закриваюча напруги U(з-в).зак. при цих умовах складає одиниці вольт.
Оскільки вздовж каналу потенціал підвищується по мірі наближення до стоку, то ближче до стоку зворотна напруга n-р-переходу збільшується і товщина закриваючого шару збільшується.
Польові транзистори з керованим n-р-переходом можуть бути виготовлені сплавленням або дифузією. Кращими є дифузійні транзистори. На рис.7.2 зображений принцип побудови дифузійного польового транзистора, виготовленого за планарно-епітаксіальною технологією. Для прикладу показаний канал р-типу (очевидно, він може бути і n-типу). Області витоку і стоку звичайно виготовляють з напівпровідникового матеріалу з підвищеною провідністю (електропровідність p+-типу), щоб зменшити некорисний спад напруги і втрату потужності в цих областях. Підвищену провідність має і область затвора (електропровідність n+-типу). Це забезпечує збільшення товщини закриваючого шару головним чином у бік каналу, тобто підсилює керуючу дію затвора. Кристал транзистора (підклад) є областю n-типу, від якої часто роблять окремий вивід. Тоді кристал може бути використаний як додатковий затвор. Подаючи, наприклад, на нього деяку постійну напругу, встановлюють початкову товщину каналу.
Сплавні польові транзистори є низькочастотними, а дифузійні можуть працювати на частотах до десятків і навіть сотень мегагерц. Потрібно зазначити, що саме переміщення основних носіїв по каналу відбувається під дією прискорюючого поля дуже швидко, і тому гранична частота визначається не цим процесом, а впливом власних ємностей транзистора.
Характеристики і параметри польових транзисторів. Керуючу дію затвора наочно ілюструють керуючі ( стоково-затворні ) характеристики, що виражають залежність iс = f (uз-в) при Uс-в = const (рис.7.3). Однак, ці характеристики незручні для розрахунків, і тому на практиці користуються вихідними характеристиками.
На рис.7.4 зображені вихідні (стокові) характеристики польового транзистора iс = f (Uс-в) при Uз-в = const. Вони показують, що із збільшенням Uc-в, струм спочатку росте досить швидко, а потім це наростання сповільнюється і майже зовсім припиняється, тобто наступає явище, що нагадує насичення. Це пояснюється тим, що при підвищенні Uс-в струм повинен збільшуватися але оскільки одночасно підвищується зворотна напруга на n-р-переході, то закриваючий шар розширяється, канал вужчає, тобто його опір зростає, і за рахунок цього струм iс повинен зменшитися. Таким чином, мають місце два взаємно протилежних впливи на струм iс, який в результаті залишається майже незмінним.
При подачі більшої за абсолютним значенням від’ємної напруги на затвор струм iс зменшується і стокова характеристика проходить нижче.
Підвищення напруги стоку зрештою приводить до електричного пробою n-р-переходу, і струм стоку починає лавиноподібно наростати, що показано на малюнку штриховими лініями. Напруга пробою є одним з граничних параметрів польового транзистора.
Робота транзистора звичайно відбувається на пологих дільницях характеристик, тобто в області, яку часто не зовсім вдало називають областю насичення. Напруга, при якій починається ця область, іноді називають напругою насичення, а закриваюча напруга затвора інакше ще називається напругою відсічки.
Потрібно зазначити, що для транзисторів з каналом р-типу полярність напруг живлення протилежна тим, які показані на рис.7.1, рис.7.3 і рис.7.4 для транзисторів з каналом n-типу.
Польовий транзистор характеризується наступними параметрами. Основний параметр крутизна S, аналогічна параметру у21 біполярних транзисторів. Крутизна визначається за формулою
S = у21 =Ic/Uз-в, при Uc-в = const (7.1)
і може складати значення до декількох міліампер на вольт.
Крутизна характеризує керуючу дію затвора. Наприклад, S = 3 мА/В означає, що зміна напруги затворі на 1 В створює зміну струму стоку на 3 мА.
Другий параметр - внутрішній (вихідний) опір Rі, аналогічний величині 1/у22 для біполярного транзистора. Цей параметр являє собою опір транзистора між стоком і витиком (опір каналу) для змінного струму і описується формулою
Ri = 1/у22 = Uс-в/Iс при Uз-в = const. (7.2)
На пологих ділянках вихідних характеристик значення Rі досягає сотень кілоом і є у багато разів більший опору транзистора для постійному струму R0.
Іноді користуються ще третім параметром - коефіцієнтом підсилення ( , який показує, у скільки разів сильніше діє на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоку. Коефіцієнт підсилення визначається формулою
( = -Uс-в/Uз-в при iс = const, (7.3)
тобто дорівнює відношенню таких змін Uс-в і Uз-в, які компенсують одна одну по дії на струм ic, внаслідок чого цей струм залишається незмінним. Оскільки для подібної компенсації Uс-в, і Uз-в повинні мати різні знаки (наприклад, збільшення ( повинно компенсуватися зменшенням Iс), то в правій частині формули (7.3) стоїть знак «мінус». Інакше, можна замість цього взяти абсолютне значення правої частини. Коефіцієнт підсилення пов'язаний з параметрами S і Rі простою залежністю
( = SRі. (7.4)
Для пологих ділянок вихідних характеристик ( досягає сотень і навіть тисяч. У початковій області цих характеристик, коли вони йдуть круто (при малих значеннях uс-в), значення всіх трьох параметрів зменшуються. Параметри S і Rі для заданого режиму можна визначати з вихідних характеристик за методом двох точок, подібно тому як це робилося для біполярних транзисторів, а ( треба обчислювати за формулою (7.4).
Вхідний опір польового транзистора визначається, як звичайний, за формулою
Rвх = Uз-в,/ Iз, при Uс-в = const. (7.5)
Оскільки струм Iз - зворотний струм n-р-переходу, а значить, дуже малий, то Rвх досягає одиниць і десятків мегаом. Польовий транзистор має також вхідну ємність між затвором і витоком Сз-в, яка є бар'єрною ємністю п-р-переходу і складає одиниці пікофарад у дифузійних транзисторів і десятки пікофарад у сплавних. Менші значення має прохідна ємність між затвором і стоком Сз-с, а самої малою є вихідна ємкість між витоком і стоком Сс-в.
Схеми ввімкнення польових транзисторів. Подібно до біполярних транзисторів польовий транзистор можна бути ввімкнений за одною з трьох основних схем. На рис.7.1 показана одна з схем, яка найчастіше використовується - ввімкнення із спільним витоком (СВ), аналогічна схемі із спільним емітером. Каскад із спільним витоком дає дуже велике підсилення за струмом і потужності і повертає фазу напруги при підсиленні на 180о. Оскільки звичайно Rн « Rі то коефіцієнт підсилення каскаду за напругою можна підрахувати за формулою
Ku = SRH, (7.6)
яка аналогічна формулі для каскаду із спільним емітером.
На рис.7.5 показана еквівалентна схема (схема заміщення) польового транзистора для ввімкнення його із спільним витоком. Оскільки Rвх дуже великий, то його можна не враховувати. Для низьких частот у багатьох випадках можна вилучити з схеми ємності. Генератор струму SUmвх відображає підсилення, що здійснюється транзистором, а опір Rі, є опором каналу для змінного струму, тобто вихідний опір. До вхідних затискачів під’єднується джерело коливань, а до вихідних - навантаження.
У практичних схемах підсилювальних каскадів звичайно застосовується живлення від одного джерела Е2, як це показано на рис.7.6 для транзистора з п-каналом. Для отримання постійної зворотної напруги на керуючому n-р-переході в коло витоку вводиться резистор Rв, який зашунтований конденсатором Св. Постійний струм стоку Iс0 створює на резисторі Rв напруги Uз-в, = Iс0·Rв, яка через джерело коливань ДК подається на n-р-перехід. Опір RH розраховується за формулою RH = U(з-в)о/Iсо· Величини U(з-в)0 і Iс0 можуть бути визначені для вибраного режиму роботи з вихідних характеристик. Через конденсатор Св проходить змінна складова напруги. Польові транзистори можуть добре працювати в більш широкому інтервалі температур. При підвищенні температури спостерігається тільки значне збільшення струму затвора (струму неосновних носіїв), але все ж він залишається досить малим, і тому вхідний опір зберігає високі значення. Польовий транзистор створює менші шуми і має більш високу стійкістю до впливу іонізуючого випромінювання. За радіаційною стійкістю ці транзистори наближаються до електронних ламп. Недолік багатьох польових транзисторів - порівняно невисока крутизна.
Як правило, випускаються кремнієві польові транзистори. Кремній застосовується тому, що струм затвора, тобто зворотний струм n-р-переходу, виходить у багато разів менший, ніж у германію. При температурі 20 °С постійний струм затвора може становити всього лише 1 нА, тобто 10-9 А.
7.2. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ З ІЗОЛЬОВАНИМ ЗАТВОРОМ
Подальшим розвитком польових транзисторів є транзистори з ізольованим затвором. У них металевий затвор відділений від напівпровідникового каналу тонким шаром діелектрика. Інакше ці прилади називають МДН-транзисторами (від слів «метал-діелектрик-напівпровідник») або МОН-транзисторами (від слів «метал-оксид-напівпровідник»), оскільки діелектриком звичайно служить шар діоксиду кремнію SiO2
На рис.7.13 показані структура польового транзистора з ізольованим затвором і його умовне графічне позначення. Основою служить кремнієва пластинка з електропровідністю типу р. В ній створені дві області з електропровідністю п+-типу з підвищеною провідністю. Ці області є витоком і стоком. Від них зроблені виводи. Між витоком і стоком є тонкий приповерхневий канал з електропровідністю n-типу. Довжина каналу від джерела до стоку звичайно складає одиниці мікрометрів, а його ширина сотні мікрометрів і більше, в залежності від робочого струму транзистора. Товщина діелектричного шару діоксиду кремнію, який заштрихований, складає (0,1÷0,2)мкм. Зверху діелектричного шару розташований затвор у вигляді тонкої металевої плівки. Кристал МДН-транзистора звичайно сполучений з джерелом, і його потенціал приймається за нульовою так само, як і потенціал витоку. Іноді від кристала буває зроблений окремий вивід. Прилад з такою структурою називають транзистором з власним (або вбудованим) каналом, і працює він таким чином.
Якщо при нульовій напрузі на затворі прикласти між стоком і витоком напругу, то через канал протікає струм, який є потоком електронів. Через кристал струм не проходить, оскільки один з р-n переходів знаходиться під зворотною напругою. При подачі на затвор напруги, від’ємної відносно витоку, а отже, і відносно кристала, в каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого електрони провідності виштовхуються з каналу в області витоку і стоку і в кристал. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується, і струм стоку зменшується. Чим більша від’ємна напруга затвора, тим менший цей струм. Такий режим транзистора називають режимом збіднення
Якщо ж на затвор подати додатну напругу, то під дією поля, створеного цією напругою, з областей витоку і стоку, а також з кристала в канал будуть надходити електрони; провідність каналу при цьому збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.
Розглянутий транзистор з вбудованим каналом, таким чином, може працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення. Це наочно показують його вихідні (стокові) характеристики, зображені на рис.7.14, і характеристика керування на рис.7.15. Як видно, вихідні характеристики МДН-транзистора подібні до вихідних характеристик польового транзистора з керуючим п-р-переходом. Це пояснюється тим, що при зростанні напруги Uв-с від нуля спочатку діє закон Ома і струм зростає приблизно пропорційно напрузі, а потім, при деякій напрузі Uв-с, канал починає звужуватися, особливо біля стоку. Оскільки на n-р-переході між каналом і кристалом зростає зворотна напруга, область цього переходу, збіднена носіями, розширяється і опір каналу збільшується. Таким чином, струм стоку витримує два взаємно протилежних впливи: від збільшення Uв-с струм повинен зростати згідно із законом Ома, але від збільшення опору каналу струм зменшується. У результаті струм стоку залишається майже незмінним до такої напруги Uс-в при якій наступає електричний пробій на кристал.
У тому випадку, якщо кристал має електропровідність n-типу, канал повинен бути р-типу і полярність напруги необхідно змінити на протилежну. Транзистор з вбудованим каналом р-типу на схемах зображають так, як показано на рис.7.13.в).
Іншим типом є транзистор з індукованим (інверсним) каналом (рис.7.16). Від попереднього він відрізняється тим, що канал виникає тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. При відсутності цієї напруги каналу відсутній, між витоком і стоком n+- типу розташований тільки кристал р-типу і на одному з n-р переходів завжди виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор додатну напругу, то під впливом поля затвора електрони провідності будуть переміщатися з областей витоку і стоку і з р-області у напрямку до затвора. Коли напруга затвора перевищить деяке відкриваюче, або порогове, значення (одиниці вольт), то в приповерхневому шарі концентрація електронів настільки збільшиться, що перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі станеться так звана інверсія типу електропровідності, тобто утвориться тонкий канал п-типу і транзистор почне проводити струм. Чим більше значення додатної напруги на затворі, тим більша провідність каналу і струм стоку. Таким чином, такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення, що видно з його вихідних характеристик (рис. 7.17) і характеристики керування (рис.7.18). Якщо підклад р-типу, то вийде індукований канал п-типу.
Параметри МДН-транзисторів аналогічні параметрам польових транзисторів з керуючим п-р-переходом.
Коефіцієнт підсилення каскаду з МДН-транзистором обчислюється по формулі (7.6). Графоаналітичний розрахунок підсилення для каскадів на польових транзисторах виконують з допомогою сімейства вихідних характеристик аналогічно тому, як це було розглянуто для біполярних транзисторів. Проводять лінію навантаження, на яку наносять робочу точку, яка визнається постійною напругою на затворі, і відмічають робочу ділянку, яка відповідає заданому значенню вхідної напруги. Після цього визначають постійний і змінний струми стоку, постійну і змінну напруги в колі стоку, потужність і ККД (для малопотужних каскадів потужність і ККД неістотні). Так само розраховується імпульсний режим польових транзисторів.
Транзистори з ізольованим затвором мають переваги відносно температурних, шумових, радіаційних і інших властивостей, відмічених для польових транзисторів з n-р-переходом, і, крім того, мають ще ряд переваг. Опір ізоляції затвора у них являє собою вхідний опір постійному струму на низьких частотах і досягає (1012 ÷1015) Ом. Важливо, що вхідний опір залишається великим при будь-якій полярності напруги затвора (у польових транзисторів з керованим n-р-nepexoдом при прямій напрузі на затворі вхідний опір стає дуже малим). Вхідна ємність може бути меншою 1 пФ, і гранична частота доходить до сотень мегагерц. Розроблені потужні (до десятків ват) транзистори з ізольованим затвором, що мають крутизну 10 мА/В і більше і працюють на частотах до сотень мегагерц. Транзистори з ізольованим затвором можуть застосовуватися у всіх схемах, розглянутих вище (СВ, СЗ і СС). Потрібно зазначити, що виготовлення польових транзисторів за планарно-епітаксиальною технологією порівняно нескладне і спрощує створення мікроелектронних схем. Особливо просто виготовляються МДН-транзистори з індукованим каналом, оскільки в кристалі треба зробити лише дві області витоку і стоку. Для запам'ятовуючих пристроїв створені МДН-транзистори з діелектриком, що складається з двох шарів. Окрім диоксиду кремнію нанесений ще шар нітриду кремнію Si3N4 або оксиду алюмінію (алунда). Такі транзистори отримали відповідно назви МНОН-АОН-транзисторів. Нітрид кремнію і алунд мають дуже велике значення опору, у багато разів більше, ніж діоксид кремнію. При подачі на затвор імпульсу додатної або від’ємної напруги на границі між діелектриками утворюється відповідно від’ємний або додатний заряди. Такий заряд впливає на порогову напругу, тобто напругу, при якій виникає інверсний канал. Отже, транзистор може бути в одному з двох станів, які відповідають різним значенням порогової напруги. Кожне з цих станів може зберігатися дуже довго навіть при вимкненому живленні.
Один з способів підвищення граничної частоти МДН-транзисторів є укорочення каналу для зменшення часу пробігу носіїв від витоку до стоку. У транзисторах типу D-МДН, що виготовляються методом подвійної дифузії, канал утвориться по товщині тонкого шару напівпровідника. Довжина каналу виходить 1 мкм і менш, а гранична частота може бути від 30 ГГц і більше.
У транзистора типу V-МДН в кремнієвій структурі протравлюється V-подібна канавка, на поверхні якої створюється плівка діоксиду кремнію і металізація для затвора. Як і в транзисторі D-МДН, довжина каналу визначається товщиною тонкого р-шару в 1 мкм, розташованого в глибині кристала.
Різновидністю польових транзисторів є транзистори з двома затворами. Вони призначені для подвійного керування струмом стоку, що використовується при перетворенні частоти. Випускаються також подвійні польові транзистори, у яких в одному корпусі розміщені два транзистори з самостійними виводами.
При роботі з МДН-транзисторами потрібно вживати заходів обережності для запобігання пробою тонкого шара діелектрика між затвором і каналом під дією статичних електричних зарядів, які можуть виникнути на ізольованому затворі. Необхідно, щоб при транспортуванні і монтажі електроди у транзисторів були закорочені накоротко. Ці закорочуючі провідники усувають тільки після закінченні монтажу, коли виводи вже впаяні у схему.
СПЕЦІАЛЬНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ
8.1. ТИРИСТОРИ
Тиристори є перемикаючими приладами. Їх назва взапозичена від грецького слова thyra (тира), що означає «двері», «вхід».
Структура діодного тиристора (динистора) з структурою n –р- n- р показана на рис. 8.1.а). Як видно, він має три n-p-переходи, причому два з них (П1 і П3) працюють у прямому напрямі, а середній перехід П2 в зворотному напрямі. Крайню область р називають анодом, а крайню область n катодом. Тиристор можна представити у вигляді еквівалентної схеми (моделі), яка складається з двох транзисторів VТ1 і VТ2 типи електропровідності яких n-p-n і p-n-n відповідно, сполучених так, як показано на рис.8.1.б). Виходить, що переходи П1 і П3 є емітерними переходами цих транзисторів, а перехід П2 працює в обох транзисторах як колекторного перехід. Область бази Б1 транзистора VТ1 одночасно є колекторною областю К2 транзистора VТ2, а область бази Б2 транзистора VТ2 одночасно служить колекторною К1 областю транзистори VТ1. Відповідно цьому колекторний струм першого транзистора Iк1 є струмом бази другого транзистора Iб2, а струм колектора другого транзистора IК2 є струмом бази Iб1 першого транзистора. Експеримент зі схемою з двох транзисторів підтвердив, що за своїми властивостями ця схема збігається з діодним тиристором.
Як правило, тиристори виготовляють з кремнію, зокрема емітерні переходи виготовляють за сплавною технологією, а колекторний перехід - методом дифузії. Застосовується також планарна технологія. Концентрація домішок в базових (середніх) областях значно менша, ніж в емітерних (крайніх) областях.
Фізичні процеси в тиристорі можна уявити собі таким чином. Якби був тільки один перехід П2, який працює при зворотній напрузі, то існував би лише невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням через перехід неосновних носіїв, яких є мало. Але, як відомо, в транзисторі може бути отриманий великий колекторний струм, який є проте зворотним струмом колекторного переходу, якщо в базу транзистора з боку емітерного переходу інжектуютсья у великій кількості неосновні носії. Чим більше пряма напруга на емітерному переході, тим більше цих носіїв проходить до колекторного переходу, і тим більшим стає струм колектора. Напруга на колекторному переході, навпаки, стає меншою, оскільки при більшому струмі зменшується опір колекторного переходу і зростає спад напруги на навантаженні, яке ввімкнене в коло колектора. Так, наприклад, в схемах перемикання транзистор переводиться у відкритий стан (в режим насичення) шляхом подачі на його емітерний перехід відповідної прямої напруги. При цьому струм колектора досягає максимального значення, а напруга між колектором і базою знижується до десятих часток вольта.
Щось подібне спостерігається і в тиристорі. Через переходи П1 і П3, які працюють при прямому зміщені, в області, що примикають до переходу П2, інжектуються неосновні носії заряду, які зменшують опір переходу П2.
Вольт-ампера характеристика тиристора, яка наведена на рис.8.2, показує, що відбувається в тиристорі при підвищенні прикладеної до нього напруги. Спочатку струм невеликий і росте повільно, що відповідає дільниці ОА характеристики. У цьому режимі тиристор можна вважати закритим («замкненим»). На опір колекторного переходу П2 впливають два взаємно протилежних процесу. З однієї сторони, підвищення зворотної напруги на цьому переході збільшує його опір, оскільки під впливом зворотної напруги основні носії заряду йдуть в різні сторони від границі, тобто перехід П2 все більше збіднюється основними носіями. Але, з іншого боку, підвищення прямих напруг на емітерних переходах П1 і П3 підсилює інжекцію носіїв, які підходять до переходу П2, збагачують його і зменшують його опір. До точки А перевагу має перший процес і опір росте, але все повільніше і повільніше, оскільки поступово посилюється другий процес.
Біля точки А при деякій напрузі (десятки або сотень вольт), яку називають напругою вмикання Uвм, вплив обох процесів урівноважується, а потім навіть дуже незначне підвищення напруги, що підводиться створює перевагу другого процесу і опір переходу П2 починає зменшуватися. Тоді виникає лавиноподібний процес швидкого ввімкнення тиристора. Цей процес пояснюється таким чином.
Струм різко, стрибком, зростає (дільниця АБ на характеристиці), оскільки збільшення напруг на П1 і П3 зменшує опір П2 і напруга на ньому зменшується, за рахунок чого ще більше зростають напруги на П1 і П3, а це, в свою чергу, приводить до ще більшого зростання струму і зменшення опору П2 і т. д. В результаті такого процесу встановлюється режим, що нагадує режим насичення транзистора: великий струм при малій напрузі (ділянка БВ). Струм в цьому режимі, коли прилад відкритий («ввімкнений»), визначається головним чином опором навантаження RH, який з’єднаний послідовно з ним. За рахунок великого струму, що виник майже вся напруга джерела живлення падає на навантаженні RH.
У відкритому стані внаслідок нагромадження великих зарядів біля переходу П2 напруга на ньому пряма, що, як відомо, характерно для колекторного переходу в режимі насичення. Тому повна напруга на тиристорі складається з трьох невеликих прямих напруг на переходах і чотирьох також невеликих падінь напруг в n- і р-областях. Оскільки кожна з цих напруг складає долі вольта, то загальна напруга на відкритому тиристорі звичайно не перевищує декількох вольт і, отже, тиристор в цьому стані має малий опір.
Процес стрибкоподібного переходу тиристора із закритого стану у відкритий можна ще достатньо просто пояснити математично. З розгляду еквівалентної схеми на рис.8.1 видно, що струм тиристора i є струмом першого емітера Iе1 або струмом другого емітера Iе2· Інакше струм i можна розглядати як суму двох колекторних струмів Iк1 та Iк2, рівних відповідно (2Iе2 та (1Iе1, де (1Iе1=Ік1, a (2Iе2=Ік2 , де (1 і (2 коефіцієнти передачі емітерного струму транзисторів Т1 і Т2 відповідно. Крім того, до складу струму i входить ще початковий тепловий струм колекторного переходу Iк0 Таким чином, можна написати I = (1Iе1 +(2Iе2 + Iк0 або (враховуючи, що Iе1 = Iе2 = I)
I = (1I+ (2I+Iк0 (8.1)
Вирішуючи це рівняння відносно I, знаходимо
Проаналізуємо отриманий вираз. При малих струмах (1 і (2 значно менші одиниці і сума їх також менша одиниці. Тоді відповідно до формули (8.2) струм i виходить порівняно невеликим. Із збільшенням струму значення (1 і (2 зростають, і це приводить до зростання струму тиристора I. При деякому струмі, що є струмом вмикання Iвм, сума (1 +(2 стає рівна одиниці і струм i зріс би до нескінченності, якби його не обмежував опір навантаження. Саме таке намагання струму i необмежено зростати вказує на стрибкоподібне наростання струму, тобто на вмикання тиристора.
Діодний тиристор характеризується максимальним допустимим значенням прямого струму Imaх (точка В на рис.8.2), при якому на приладі буде невелика напруга Uo. Якщо ж зменшувати струм через тиристор, то при деякому значенні струму, який називають втримуючим струмом Iвтр (точка Б), струм різко зменшується, а напруга різко підвищується, тобто прилад переходить стрибком зворотно в закритий стан, що відповідає ділянці характеристики ОА. При зворотній напрузі на тиристорі характеристика виходить така-ж, як для зворотного струму звичайних діодів, оскільки переходи П1 і П2 будуть під зворотними напругами.
Характерними параметрами діодних тиристорів є також час ввімкнення tвм, час вимикання tвим, загальна ємність Сзаг, максимальні значення імпульсного прямого струму Іімп.мах і зворотної напруги Uзв.max. Час вмикання тиристорів звичайно не більший за одиниці мікросекунд, а час вимикання, пов'язаний з рекомбінацією носіїв, доходить до десятків мікросекунд. Тому тиристори можуть працювати тільки на порівняно низьких частотах.
Якщо від однієї з базових областей зробити вивід, то виходить керований перемикаючий прилад, який називають тріодним тиристором або тринистором. Подаючи через цей вивід пряму напругу на перехід, який зміщений у прямому напрямі, можна регулювати значення Uвм. Чим більший струм через такий керуючий перехід Iкер, тим нижче значення Uвм.
Ці основні властивості тріодного тиристора наочно відображаються його вольт-амперними характеристиками, наведеними на рис.8.3 для різних струмів керуючого електрода iкер. Чим більший цей струм, тим сильніша інжекція носіїв від відповідного емітера до середнього колекторного переходу і тим менша необхідна напруга на тиристорі, для того щоб почався процес відкривання приладу. Найбільш висока Uвм виходить при відсутності струму керуючого електрода, коли тріодний тиристор перетворюється в діодний. І навпаки, при значному струмі Iкер характеристика тріодного тиристора наближається до характеристики прямого струму звичайного діода.
Найпростіша схема ввімкнення тріодного тиристора показана на рис.8.4. На цій схемі наведене умовне графічне позначення тиристора з виводом від р-області. Подібний тиристор називають тиристором з керування по катоду, оскільки керуючим електродом є базова область р, найближча до катодної області п. При подачі імпульсу прямої напруги через вивід керуючого електроду на емітерний перехід, тріодний тиристор відмикається, якщо, звичайно, напруга джерела Е має достатнє значення.
Параметри у тріодних тиристорів такі ж, як у діодних. Додаються лише величини, що характеризують керуюче коло.
Рис.8.6. Структура симетричного тиристора
Рис.8.7. Заміна симетричного тиристора двома діодними тиристорами
Звичайні тріодні тиристори не закриваються за допомогою керуючого кола, і для замикання необхідно зменшити струм в тиристорі до значення нижче за Iутр. Однак розроблені і застосовуються так звані тріодні тиристори, які закриваються при подачі через керуючий електрод короткого імпульсу зворотної напруги на емітерний перехід.
Розроблені також симетричні тиристори, або симистори, що мають структуру n-р-n-р-n або р-п-р-п-р, які відкриваються при будь-якій полярності напруги і проводять струм в обох напрямках (рис.8.5).
На рис.8.6 зображена структура симетричного тиристора. З цього малюнка видно, що при полярності напруги, показаній знаками «+» і «-» без дужок, працює ліва половина приладу (напрямок переміщення електронів позначений стрілками). При зворотній полярності, яка зображена знаками в дужках, струм проходить у зворотному напрямку через праву половину приладу. Роль симетричного тиристора можуть виконати два діодні тиристори, які з’єднані паралельно (рис.8.7). Керовані симетричні тиристори мають виводи від відповідних базових областей.
Умовні графічні позначення різних тиристорів наведені на рис.8.8.
Тріодні тиристори знайшли дуже широке застосування в різних схемах радіоелектроніки, автоматики, промислової електроніки. Приклад використання тріодного (або діодного) тиристора в найпростішій схемі генератора імпульсної пилоподібної напруги зображений на рис.8.9. Від джерела Е через резистор R порівняно повільно заряджається конденсатор С. Поки напруга Uс на конденсаторі невелика, тріодний тиристор знаходиться в замкненому стані. Але коли Uс стане дорівнює напрузі ввімкнення Uвм, тиристор відмикається і конденсатор швидко розряджається через нього, оскільки у відкритому стані тиристор має малий опір. У кінці розряду конденсатора струм через тиристор знижується до значення утримуючого струму і тиристор закривається. Після цього знову повторюється заряд конденсатора, потім його розряд через тиристор і.т.д. Графік напруги, яка формується на конденсаторі, показаний на тому ж рис.8.9. Обмежувальний резистор Rобм вімкнений для того, щоб струм у тиристорі не перевищив максимального значення. Чим більше R, тим повільніше відбувається заряд і тим нижча частота напруга, що формується. Її амплітуда визначається значенням Uвм1 і може регулюватися зміною напруга керуючого електрода Uкер. Звичайно в тріодні тиристори, що не запираються з виводом від р і від n-області, г) і д) тріодні тиристори, що запираються з виводом від р- і від n-області; є симетричний тиристор в коло керування якого також вмикають резистор для обмеження струму.
У розглянутому генераторі форма пилоподібної напруги для багатьох випадків незадовільна, оскільки наростання напруги відбувається за експонентою. Щоб отримати лінійне наростання напруги, необхідно зробити струм заряду конденсатора сталим. Для цього замість резистора R можна ввімкнути транзистор в схемі з спільною базою, а тоді, як відомо, при зміні напруги uк-б струм колектора майже не змінюється.
Представляє інтерес застосування тріодних тиристорів в генераторах синусоїдальних коливань. У таких генераторах тиристор працює як ключ і підєднує з потрібною частотою джерело живлення до коливального контуру. Тому коливання в цьому контурі стають незатухаючими, а сам тиристор керується напругою від коливального контуру. Тиристорні генератори відрізняються високим значенням ККД, оскільки в самому тиристорі втрати незначні. Але внаслідок інерційності процесів вмикання і особливо вимикання тиристора подібні генератори можуть працювати тільки на порівняно низьких частотах. Оскільки тиристори випускаються на великі струми, то тиристорні генератори можна побудувати на значно більші потужності, ніж генератори на транзисторах.
Крім розглянутих існують ще діодні і тріодні тиристори, які проводять у зворотному напрямку. Структура їх така, що з електродами тиристора мають контакт не тільки крайні емітерні області, але і середні базові. Тому при подачі зворотної напруги між електродами діє тільки одна пряма напруга середнього переходу, тобто тиристор буде у відкритому стані.
8.2. ТУНЕЛЬНИЙ ДІОД
Запропонований в 1958 р. японським вченим Л. Йосакі тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з високою концентрацією домішок (1019 ÷1020 ) см-3, тобто з дуже малим питомим опором, в сотні або тисячі разів меншим, ніж в звичайних діодах. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Електронно-дірковий перехід у виродженому напівпровіднику виходить в десятки разів тонше (10-6 ) см, ніж в звичайних діодах, а потенціальний бар'єр приблизно в два рази вищий. У звичайних напівпровідникових діодах висота потенціального бар'єру рівна приблизно половині ширини забороненої зони, а в тунельних діодах вона трохи більше цієї ширини. Внаслідок малої товщини переходу напруженість поля в ньому навіть при відсутності зовнішньої напруги досягає 106 В/см.
У тунельному діоді, як і в звичайному, відбувається дифузійне переміщення носіїв через електронно-дірковий перехід і зворотний їх дрейф під дією електричного поля. Але крім цих процесів основну роль грає тунельний ефект. Він полягає в тому, що згідно із законами квантової фізики при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії. Такий тунельний перехід електронів з енергією, меншою за висоту потенціального бар'єра (в електрон-вольтах), здійснюється в обох напрямках, але тільки при умові, що з іншої сторони бар'єра для тунелюючих електронів є вільні рівні енергії. Подібний ефект неможливий з точки зору класичної фізики (в якій електрон розглядається як частинка матерії з від’ємним зарядом), але виявляється цілком реальним в явищах мікросвіту, які описуються законами квантової механіки, згідно з якими електрон має подвійну природу: з одного боку, він є частинкою, а з іншого боку, він може проявляти себе як електромагнітна хвиля. А електромагнітна хвиля може перейти через потенціальний бар'єр, тобто через область електричного поля, не взаємодіючи з цим полем.
Процеси в тунельному діоді зручно розглядати на енергетичних діаграмах, що показують рівні енергії валентної зони і зони провідності в п- і р-областях. Внаслідок виникнення контактної різниці потенціалів в n-р-переході границі всіх зон в одній з областей зсунуті відносно відповідних зон іншої області на висоту потенціального бар'єра, виражену в електрон-вольтах.
На рис.8.10 за допомогою енергетичних діаграм зображено виникнення тунельних струмів в електронно-дірковому переході тунельного діода. Для того щоб не ускладнювати розгляд тунельний ефекту, дифузійний струм і струм провідності на цьому малюнку не показані. Діаграма на рис.8.10.а) відповідає відсутності зовнішньої напруги. Висота потенціального бар'єра взята для прикладу 0,8 еВ, а ширина забороненої зони становить 0,6 еВ. Горизонтальними лініями в зоні провідності і у валентній зоні показані енергетичні рівні, повністю або частково зайняті електронами. У валентній зоні і в зоні провідності зображені також не заштриховані горизонтальними лініями ділянки, які відповідають рівням енергії, не зайнятим електронами. Як видно, в зоні провідності напівпровідника n-типу і у валентній зоні напівпровідника р-типу є зайняті електронами рівні, яким відповідають однакові енергії. Тому можливий тунельний перехід електронів з області n в область p (прямий тунельний струм Іпр) і з області р в область п (зворотний тунельний струм Ізв). Ці два струми однакові за значеннями, і тому результуючий струм дорівнює нулю.
На рис.8.10.б) показана діаграма при прямий напрузі 0,1 В, за рахунок якої потенціальний бар'єр знизився на 0,1 еВ і становить 0,7 еВ. У цьому випадку тунельний перехід електронів з області n в область p підсилюється, оскільки в області p є у валентній зоні
09.06.2013 22:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора