Тиристоры и однопереходный транзистор

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова τχιρα (тира), означающего «дверь», «вход».

Диодный тиристор

Структура диодного неуправляемого тиристора (динистора) п—р—п—р показана на рис. 6.1,а. Как видно, он имеет три р-п-перехода, причем два из них (П₁ и П₃) работают в прямом направлении, а средний переход П₂ — в обратном направ­лении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область п—катодом.

Тиристор можно представить в виде модели, состоящей из двух транзисторов VT₁ и VТ₂ типа п—р—п и p—n—р, соединенных так, как показано на рис. 6.1,в. Переходы П₁ и П₃ являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П₂ работает в обоих тран­зисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы Б₁ транзистора VT₁ одновременно является коллекторной областью К₂ транзистора VТ₂, а область базы Б₂ транзистора VТ₂ одновременно служит коллекторной областью К₁ тран­зистора VT₁.

Рис.6.1. Схема включения (а), структура диодного тиристора (б) и его модель в виде двух транзисторов (в)

Тиристоры изготавливают из крем­ния, причем эмиттерные переходы могут быть сплавными, а коллекторный переход изготов­ляют методом диффузии. Применяется также планарная технология. Концентрация примеси в базовых (средних) областях значительно меньше, нежели в эмиттерных (крайних) областях.

Через переходы П₁ и П₃, рабо­тающие в прямом направлении, в области, примыкающие к переходу П₂, инжек­тируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, представленная на рис. 6.2, пока­зывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напря­жения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П₂ влияют два взаимно противопо­ложных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, т. е. пере­ход П₂ все больше обедняется основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П₁ и П₃ усиливает инжекцию неосновных носителей, которые подходят к переходу П₂, умень­шают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопро­тивление растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс.

Рис.6.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни вольт), называемом напряжением переключения U_ПЕР, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П₂ начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора.

Ток резко, скачком, возрастает (участок АБ на характеристике), так как увеличение напряжения на П₁ и П₃ уменьшает сопротивление П₂ и напряжение на нем. В результате такого процесса устанавливается режим, напо­минающий режим насыщения транзистора — большой ток при малом напряжении (участок БВ). Ток в этом режиме, когда динистор открыт, определяется главным образом сопротивлением нагрузки R_А включенной последовательно с прибором. За счет возникшего большого тока почти все напряжение источника анодного питания падает на нагрузке R_А.

Полное напряжение на тири­сторе складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четы­рех также небольших падений напряжения в n-и р-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт, и, следовательно, динистор в этом состоянии имеет малое сопротивление.

Из рассмотре­ния эквивалентной схемы на рис. 6.1,в видно, что анодный ток тиристора I_A является током первого эмиттера I_Э1 или током второго эмиттера I_Э2. Иначе ток I_A можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов I_Kl и I_К2, равных соответ­ственно α₁I_Э1 и α₂I_Э2, где α₁ и α₂ — коэффициенты передачи эмиттерных токов транзисторов VТ₁ и VТ₂. Кроме того, в состав тока I_A входит еще обратный ток коллекторного перехода i_К0. Таким образом, можно написать I_А = α₁I_Э1 + α₂I_Э2 + i_К0 или учитывая, что I_Э1= I_Э2= I_A:

I = α₁I + α₂I + i_К0 . (6.1)

Решая это уравнение относительно I_A, находим:

(6.2)

При малых токах α₁ и α₂ значи­тельно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответ­ствии с формулой (6.2) ток I_A получается сравнительно небольшим. С увели­чением тока α₁ и α₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I_A. При неко­тором токе, являющемся током включения I_ВКЛ, сумма (α₁ + α₂) = 1 и ток I_A возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки R_A.

Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока I_max (точка В на рис. 6.2), при котором на приборе будет неболь­шое остаточное напряжение U_ОСТ. Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом током удержания I_УД (точка Б), ток резко умень­шается, а напряжение резко повышается, т. е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики О А. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов, поскольку переходы П₁ и П₂ будут под обратным на­пряжением.

Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выклю­чения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах.

Триодные тиристоры

Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в пря­мом направлении, можно регулировать значение U_ПЕР.. Чем больше ток через такой управляющий переход I_у, тем ниже U_ПЕР.

Эти основные свойства триодного тиристора наглядно показывают его вольт-амперные характеристики, изображенные на рис. 6.3 для различных токов управ­ляющего электрода 1_у .

Рис.6.3. Вольт-амперные характеристики триодного тиристора для разных управляющих

токов

При значительном токе 1_У характеристика триодного тиристора приближается к харак­теристике прямого тока обычного диода (характеристика спрямления).

Схема включения триодного тиристора показана на рис. 6.4. На этой схеме дано условное изображение тиристора с выводом от р-области. Подобный тиристор называют тиристором с управлением по катоду, так как управляющим электродом является базовая область р, ближайшая к катоду п. При подаче импульса прямого напряжения через вывод управляющего электрода на эмиттерныи переход этого триодного тиристора он отпирается, если, конечно, напряжение источника Е_А достаточно.

Рис.6.4. Схема включения триодного тиристора с управлением по катоду

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, и для запирания триодного тиристора необходимо уменьшить ток в нем до значения ниже I_УД. Однако разработаны и применяются так называемые запи­раемые триодные тиристоры, которые запираются при подаче через управляющий электрод короткого импульса обратного напряжения на эмиттерныи переход. Разработаны симметричные тиристоры, или симисторы (диак, триак), имеющие струк­туру п—р—п—р—п или р—п—р—п—р, которые отпираются при любой поляр­ности напряжения и проводят ток в оба направления (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора (диака) (а),

структура (б) и обозначение (в)

Триодные тиристоры имеют широкое применение в различных схемах радиоэлектроники, автоматики, промышленной электроники. Пример использова­ния триодного (или диодного) тиристора в схеме генератора импульсного пилообраз­ного напряжения дан на рис. 6.6,а. От источ­ника Е_А через резистор R_А сравнительно медленно заряжается конденсатор С. Пока напряжение U_C на конденсаторе невелико, триодный тиристор на­ходится в закрытом состоянии. Но, когда U_C ста­нет равно напряжению переключения U_ПЕР, тиристор VS отпирается и конденсатор быстро разряжается через него, так как в открытом состоянии тиристор имеет малое сопротивление. В конце разрядки конденсатора ток через тиристор снижается до значения удерживающего тока и он запирается. После этого снова повторяется зарядка конденсатора, затем- его разрядка через тиристор и т. д. График напряжения, получаемого на конденсаторе, показан на рис. 6.6,б. Ограничительный резистор R_А включен для того, чтобы ток в тиристоре не превысил максимального значения. Чем больше R_А и С, тем медленнее происходит зарядка и тем ниже частота получаемого напряжения. Его амплитуда определяется значением U_ПЕР и может регулироваться изменением тока управляющего электрода I_y.

Рис. 6.6. Генератор пилообразного напряжения с тиристором

Вследствие инерционности процессов включения и особенно выключения ти­ристора подобные генераторы могут работать только на сравнительно низких частотах. Поскольку тиристоры выпускаются на большие токи, то тиристорные генераторы можно построить на значительно большие мощности, нежели гене­раторы с транзисторами.

Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор (ОПТ) показан на рис. 6.7. Он имеет только один р-п-переход и по своей структуре напоминает полевой транзистор с управляющим п-р-переходом, но принцип его работы совсем иной. Область п (база), имеющая на концах выводы Б₁ и Б₂, не является каналом, изменяющим свое сопротивление за счет изменения площади поперечного сечения. Эмиттер р⁺-типа образует с базой р⁺- п-переход, на который в от­личие от полевого транзистора подается не обратное, а прямое внешнее на­пряжение. Выходной ток, протекающий через базу, создает внутри нее на участке от эмиттера до вывода Б₁ падение напряжения U_Б1, которое является обрат­ным для эмиттерного перехода и запирает его. Если внешнее прямое напряжение на эмиттере U_ЭБ1 станет больше U_Б1 , то резуль­тирующее напряжение на переходе станет прямым, переход отпирается и в нем начи­нается инжекция дырок из эмиттера в базу. За счет этого сопротивление базы уменьша­ется. При увеличении входного напряжения U_ЭБ1 изменяется уровень инжекции и уменьшается сопротивление базы, а ОПТ переключается.

Рис. 6.7. Однопереходный транзистор

ОПТ может применяться для переключения, генерации и усиления. Но по своим частотным свойствам он значительно уступает обычным биполярным и полевым транзисторам и является низкочастотным прибором.

Оптоэлектронные приборы

Работа различных полупроводниковых приемников излучения основана на использовании вну­треннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок.

Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток Ф управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света Ф на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области генерируются пары носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

Вольт-амперные характеристики при Ф = const для фотодиодного режима (рис. 7.2) напоминают выходные характе­ристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток , который называют темновым. Под действием светового потока фототок диода возрастает и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток.

Рис. 7.2. Вольт-амперные характеристики фотодиода для фотодиодного режима

Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до несколь­ких сотен мегагерц.

Фототранзисторы

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычньн транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное «окно», через которое световой поток воздействует на область базы. Схема включения биполярногс фототранзистора типа р — п — р со «свободной», т. е. никуда не включенной базой, приведена на рис. 7.3. Как обычно, на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное.

Рис. 7.3. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора . А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 7.4. Они анало­гичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с обшим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

Рис. 7.4. Выходные характеристики фототранзистора

В качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис. 7.5 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа. При облучении n-канала в нем и в прилегающей к нему p-области затвора генерируются электроны и дырки. Переход между n-каналом и p-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток стока возрастает. Кроме того, возникает фототок в цепи затвора. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R₃, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал —затвор. Это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины канала, а следовательно, к дополнительному уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока . Таким образом осуществляется управление током стока с помощью света.

Рис.7.5. Структура и схема включения полевого фототранзистора с каналом n-типа

Разработаны МОП-фототранзисторы с индуцированным каналом. Они имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогене­рация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напря­жения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являю­щаяся основным усилительным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.

Светодиоды

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения применяются светодиоды, работающие при прямом напряжении. А свечение, возникающее в светодиодах, относят к явлению так называемой инспекционной электролюминесценции.

При прямом напря­жении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Инжектированные, например, электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дыр­ками р-области. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны :

. (7.1)

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), необходимую для излучения с той или иной длиной волны (в микрометрах):

. (7.2)

Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь 1,7 эВ. Для современных светодиодов применяют фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодиоды инфракрасного излучения, изготавливаемые преимущественно из арсенида галлия GaAs и его соединений.

Оптроны

Оптрон — это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объеденены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. Цепь излучателя является управляюще а цепь фотоприемника — управляемой.

Диодные оптроны (рис. 7.6,а)имеют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый светодиод. Фотодиод может работать в фото­генераторном режиме, создавая фото-ЭДС до 0,5 — 0,8 В, или в фотодиодном режиме. Для повы­шения быстродействия применяют фотодиоды типа р — i — п.

Рис.7.6. Различные типы оптронов

Транзисторные оптроны (рис. 7.6,б) имеют обычно в качестве излуча­теля арсенидо-галлиевый светодиод, а приемника излучения — биполярный крем­ниевый фототранзистор типа п — р — п. Они работают, главным образом, в ключевом режиме.

Разновидностью транзисторных оптопар являются оптроны с полевым фото­транзистором (рис.7.6,в). Они отличаются хорошей линейностью выходной вольт-амперной характеристики в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому используются в аналоговых схемах.