Биполярные и униполярные транзисторы. Тиристоры.

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на взаимодействии близко расположенных ЭДП (рисунок 7.4, 7.5).

Рисунок 7.4 – Схематическое изображение биполярного транзистора типа

p-n-p

Эмиттер (Э) – это область с высокой концентрацией положительных носителей заряда – дырок, база (Б) – тонкая область между эмиттером и коллектором, коллектор (К) – область, в которой собирается большинство носителей заряда из базы. Переход, который образуется на границе областей эмиттер–база, называют эмиттерным, а на границе база–коллектор называется коллекторным. Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Рисунок 7.5 – Условные графические изображения транзисторов p–n–p типа (а) и n–p–n типа (б)

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере БТ р-п-р-типа. С приложением к эмиттерно-базовому переходу прямого напряжения происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу и почти все дырки (за исключением успевших рекомбинировать в тонком базовом промежутке) достигнут коллектора. Возникающий при этом коллекторный ток лишь немного меньше тока эмиттера . Поскольку дырки в области базы являются неосновными носителями заряда, транзистор работает на неосновных носителях заряда. Кроме того, наличие двух источников смещения переходов объясняет происхождение термина «биполярный». Так как коллекторный переход смещен в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, в результате различия входного и выходного напряжений транзистор дает усиление по мощности. В зависимости от сочетаний величин и полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах транзистор может работать в области отсечки, активной области и области насыщения. Область отсечки характеризуется обратным смещением на обоих переходах, активная область – прямым смещением на одном переходе и обратным на другом, область насыщения – прямым смещением на обоих переходах. Кроме того, при различном сочетании напряжений транзистор может работать в прямом (нормальном) и обратном (инверсном) включениях. В последнем случае эмиттер служит коллектором, а коллектор – эмиттером. В режиме усиления при малых сигналах транзистор работает только в активной области, а при больших сигналах – в области отсечки и активной области. В режиме переключения транзистор работает во всех трех областях.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Основные параметры транзистора – коэффициенты передачи токов:

• коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор меньше единицы за счет рекомбинации части носителей в базе (базового тока), примерный диапазон значений – 0,9...0,99 (в зависимости от типа транзистора);

• – коэффициент передачи базового тока в коллектор, примерный диапазон значений – 10... 1000 (в зависимости от типа транзистора).

Поскольку из принципа работы транзистора следует, что , то:

,

где , очевидно, что .

Величины указанных коэффициентов даже зависят от технологического разброса, температуры окружающей среды, частоты сигнала, величины коллекторного тока, обычно в расчетах используются средние значения с последующей корректировкой схемотехники с целью уменьшения погрешностей.

Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых величина выходного тока изменяется под действием электрического поля, создаваемого входным напряжением, благодаря чему полевые транзисторы имеют очень высокое (1... 10 МОм) входное сопротивление. Указанное обстоятельство является главным достоинством этих приборов, что подчеркивается в их названии. Различают два подкласса полевых транзисторов: с управляющим р-n-переходом и изолированным затвором со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-структура).

В полевых транзисторах первого типа управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к входному электроду. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом состоит из тонкой пластинки полупроводникового материала с одним р-n-переходом в центральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рисунок 7.6, 7.7).

Рисунок 7.6 – Схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Рисунок 7.7 – Выходные характеристики полевого транзистора

с n-каналом и p-n-переходом

Работа этих транзисторов основана на модуляции эффективного сечения канала, которую осуществляют изменением толщины запирающего слоя, обратносмещенного р-n-перехода. Область, от которой начинают движение основные носители, называют истоком, а область, к которой движутся основные носители, – стоком. Область, используемая для управления током, протекающим через канал, называют затвором. Источник создает отрицательное напряжение на затворе ( , ,…).Ток, протекающий через канал , можно модулировать переменным входным напряжением. Постоянное отрицательное напряжение, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым, называют пороговым, или напряжением отсечки . К параметрам, характеризующим максимально допустимые режимы, относятся максимально допустимое напряжение между стоком и истоком, между затвором и истоком и максимально допустимая мощность рассеяния в транзисторе.

В качестве основного параметра полевого транзистора используется крутизна характеристики пологой области семейства выходных характеристик:

при .

Полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ) бывают двух типов: с встроенным каналом и индуцируемым каналом. На рисунках 7.8, 7.9 представлены их физические модели и семейства выходных характеристик.

а б

Рисунке 7.8 – Физические модели МДП-полевых транзисторов: а – с встроенным р-каналом; б – с индуцированным р-каналом

Транзистор со встроенным каналом может работать с обеднением канала носителями тока, когда входное напряжение положительно и дырки оттесняются вглубь кристалла, поскольку заряды пластин конденсатора, образованного металлом затвора, диэлектрическим «зазором» и полупроводником, должны быть одинаковы и противоположны по знаку. Кроме того, указанный транзистор может работать и с обогащением канала при отрицательном значении входного напряжения по тем же причинам. Транзистор с индуцируемым каналом может работать только в режиме обогащения канала. Основным параметром МДП-транзисторов также является коэффициент S.

Рисунке 7.9 – Выходные характеристики МДП – полевых транзисторов: а – с встроенным p – каналом; б – с индивидуальным p – каналом

Условные графические обозначения полевых транзисторов разных типов представлены на рисунке 7.10

Рисунок 7.10 – Условные графические обозначения полевых транзисторов:

а – с каналом n-типа; б – с каналом р-типа; в – с изолированным затвором обогащенного типа с р-каналом; г – с изолированным затвором обогащенного типа с n-каналом

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий три или более р-n-перехода и обладающий вольт-амперной характеристикой с двумя устойчивыми состояниями. На рисунке 7.11 приведены схема включения и вольт-амперная характеристика тиристора.

Область , в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область – катодом, а области и – базами. Переход называют коллекторным, а переходы , и – эмиттерными.

Между участками с открытым (ВС) и закрытым (OA) состояниями тиристора находится переходный участок, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора, – участок АВ, обладающий отрицательным сопротивлением.

Рисунок 7.11 – Схема включения (а) и вольт-амперная характеристика (б) тиристора: , – анодный ток и напряжение; и – сопротивления резисторов, ограничивающие токи при включении; – управляющий ток; , , , – ток и напряжение включения и выключения

тиристора, соответственно

Таким образом, в открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии, называют удерживающим током . При токе через тиристор в результате преобладания процессов рекомбинации уменьшается число неравновесных зарядов в базах, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние. Значение тока, при котором происходит переход тиристора из открытого в закрытое состояние, называют током выключения .

Разновидностью неуправляемого тиристора (динистора) и управляемого (тринистора) является соответственно симметричный диодный тиристор – диак и симметричный триодный тиристор – триак. Вольт-амперные характеристики этих приборов имеют одинаковый вид при различных полярностях приложенного напряжения (рисунок 7.12)

Рисунок 7.12 – Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

● – ток включения, при котором тиристор переходит в открытое состояние;

● – ток выключения, который определяется значением тока, при котором . При уменьшении тока, протекающего через тиристор, до значений, меньших , прибор переключается из открытого состояния в закрытое;

● – остаточное напряжение (падение напряжения на тиристоре во включенном состоянии при максимально допустимом токе);

● – обратный ток тиристора при максимально допустимом обратном напряжении;

● – ток управления, определяется как минимальное значение тока управляющего электрода, при котором включается тиристор. Этот параметр является важнейшим параметром управляемого тиристора.

Инерционность процессов включения и выключения тиристора при подаче на него импульсов напряжения характеризуется временем включения и временем выключения . Время включения – интервал времени с момента подачи отпирающего импульса, в течение которого напряжение на тиристоре уменьшается до уровня 0,9 своего максимального значения. Время включения существенно снижается с возрастанием мощности переключающего сигнала и возрастает при увеличении тока нагрузки и уменьшении напряжения источника питания. Время выключения – интервал времени, в течение которого тиристор из открытого состояния переходит в закрытое, определяется временем рассасывания заряда в базах и может быть уменьшено при подаче на тиристор напряжения обратной полярности.

Для характеристики максимально допустимого режима работы тиристора указываются следующие параметры;

● – максимальное значение постоянного обратного напряжения, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

● – это напряжение ограничивается пробивным напряжением одного из крайних переходов тиристора (с меньшим пробивным напряжением);

● – максимальная величина прямого тока, обеспечивающая заданную надежность при длительной работе. Величина ограничивается максимальной мощностью, выделяемой на переходах тиристора

Включение тиристоров производится следующими основными способами:

●путем увеличения напряжения между основными электродами до напряжения включения . Таким способом можно включить как диодный, так и триодный тиристор;

●с помощью тока управления . В этом случае необходимо помнить, что процессы накопления неравновесных носителей заряда в базовых областях происходят не мгновенно, поэтому для включения тиристора необходимо, чтобы длительность управляющего импульса тока была соизмерима со временем включения тиристора. Завершением процесса включения тиристора считают момент изменения полярности напряжения на коллекторном переходе.

Выключение тиристора производится при уменьшении тока в цепи основных электродов до значения или путем разрыва цепи основных электродов. Процесс выключения тиристора является инерционным и требует некоторого времени, в противном случае, если до окончания процесса выключения вновь подать напряжение между основными электродами тиристора, то он окажется опять во включенном состоянии.

Тиристоры нашли применение в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Мощные тиристоры носят название управляемых вентилей и применяются в силовой преобразовательной технике и электроприводе, в качестве релейных элементов, для бездуговой коммутации электрических цепей, тиристорных пускателей и др. Важным преимуществом тиристоров перед транзисторами является низкое сопротивление включенного прибора, что позволяет пропускать через него токи в десятки раз больше.