Принцип действия р—п—р—п диода

На рис. 1 показана структура (а) и вольтамперная характеристика (б) четырехслойного диода типа р—п—р—п. Рассмотрим физические процессы и закономерности, определяющие характер изменения тока I, протекающего через четырехсложную структуру, в зависимости от приложенного к ней напряжения U.

Переходы П₁и П₂ будем называть далее эмиттерными переходами, соответственно внешние р— и n—области, к ним примыкающие, — эмиттерами. Центральный р– п— переход П₂назовем коллекторным. Внутренние р— и n—области структуры назовем базами. Пусть напряжение U приложено к структуре р—п—р—п какпоказано на рис. 1, а. При этом эмиттерные р—п— переходы будут смещены в прямом направлении и коллекторный p—n—переход — в обратном направлении. Внешнее напряжение U в этом случае считается положительным, а при обратной полярности — отрицательным. Для большей наглядности представим р—п—р—п диод в виде комбинации двух транзисторов, соединенных между собой, как показано на рис. 2, б. При положительном смеще­нии эмиттеры инжектируют неосновные носители: дырки — в область базы первого транзистора, электроны — в область базы второго транзистора. Через коллекторные переходы обоих тран­зисторов должны протекать токи:

(1)

где и — токи через эмиттерные переходы П₁ и П₂; и — коэффициенты передачи тока соответствующих транзисторов, определяемые здесь как отношение тока неосновных носителей в базе, у границы коллекторного перехода, к полному току через эмиттерный переход (как принято, генерацией и рекомбинацией носителей в запорном слое коллекторного перехода пренебрегаем).

В данном случае ток через коллекторные переходы, вклю­ченные параллельно, равен сумме токов I₁ и I₂ и токов насыщения и утечки через коллекторные переходы, которые также представим как некоторый суммарный ток . Очевидно, что

(2)

Это же соотношение должно иметь место и для р—n—p—n структуры при приложении к ней прямого смещения.

Преобразуя выражение (2), найдем, что ток, протекающий через четырехслойную структуру, при прямом смещении на ней

(3)

где под понимается суммарный коэффициент передачи обоих транзисторов, образующих структуру р—п—р—п.

Известно, что при малых токах эмиттера коэффициент передачи уменьшается с уменьшением тока, особенно в кремниевых транзисторах. В четырехслойной структуре на кремнии, где существенную роль может играть генерация и рекомбинация в за­пирающем слое, суммарный коэффициент передачи тока при малой плотности эмиттерного тока может быть много меньше единицы. При этом ток через структуру также будет мал (область 1 вольтамперной характеристики рис. 1, б). Однако с ростом на­пряжения ток через коллекторный переход увеличивается.

Рост обратного тока коллекторного перехода обусловлен рядом причин, из которых рассмотрим наиболее существенные. Прежде всего, всегда имеется некоторый ток утечки, пропорциональный напряжению на переходе. С увеличением напряжения расширяется запирающий слой, что вызывает при наличии генерации носителей в запорном слое увеличение тока через переход. Наконец, при достаточно высоких напряжениях напряженность поля в переходе становится настолько большой, что электрон или дырка, попадающие в запирающий слой, могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки кристал­ла. Возникает пара — электрон и дырка. Ток через переход растет. Коэффициент умножения М, т. е. отношение тока, проте­кающего через переход при обратном смещении, к току неосновных носителей, доходящих до перехода, может быть представлен в виде

(4)

где U — приложенное к переходу напряжение;U_ПР — пробивное напряжение коллекторного перехода; п — некоторый коэффициент, зависящий от материала и степени легирования р— и n—областей полупроводника.

Итак, с ростом напряжения на диоде ток через него возра­стает, суммарный коэффициент увеличивается. Как видно из уравнения (4), при , стремящемся к единице, начинается значительный рост тока через диод (область 2 вольтамперной характеристики, рис. 1, б). Увеличение тока в свою очередь приводит к дальнейшему росту . Напряжение на четырехслойном диоде падает (область 3) и прибор из запертого состояния переходит в открытое (область 4). Действие его аналогично дей­ствию газоразрядной лампы, хотя физические процессы в этих приборах совершенно различны. В открытом состоянии четырехслойный диод имеет малое сопротивление, и ток через него огра­ничивается внешним сопротивлением.

При отрицательном напряжении вольтамперная характерис­тика четырехслойного диода аналогична обратной ветви вольт—амперной характеристики двух диодов, включенных последовательно (рис. 1, б).

Таким образом, вид вольтамперной характеристики четырехслойного диода зависит от одновременного действия нескольких процессов. Ее можно объяснить, рассматривая процессы в четырехслойной струк­туре как рекомбинационное взаимодействие основных и неосновных носителей в базовых областях прибора.

Из выражения (3) следует, что с ростом тока I через диод ток должен достигать максимума, если при этом монотонно возрастает. Очевидно, что обратный коллекторный ток должен достигнуть максимума до того, как достигнет единицы. При = 1 ток должен быть равен нулю. Так как ток вообще можно считать пропорциональным обратному напряжению

на переходе, то уменьшению с ростом общего тока через диод должно соответствовать уменьшение напряжения на коллекторном переходе. Появляется участок вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением (область 3 на рис. 1, б).

2. Применение динисторов

Рассмотрим работу переключателя на динисторе (рис. 3). Напряжение источника питания E, очевидно, распределится между сопротивле­нием и динистором

. (5)

Значение тока в цепи и падения напряжения на диоде и сопротивлении определяются точками пересечения вольт—амперной характеристики динистора и сопротивления. Так как , то вольт—амперная характеристика сопротивления (обычно называемая нагрузочной прямой) выходит из точки Е и положительная ось напряжений противоположна положительной оси напряжений для динистора.

Если дифференциальное сопротивление динистора на участке отрицательного сопротивления , то при соответствующей величине E может быть три точки пересечения вольт—амперной характеристики динистора и нагрузочной прямой. После включения источника питания устанавливается рабочая точка и в цепи протекает малый ток I₁. Если подать теперь на динистор положительный импульс, величина которого , то напряжение на динисторе станет больше и динистор включится. Происходит нарастание тока и рабочая точка скачкообразно переходит в точку в. В цепи устанавливается значение тока . Переключение тока в обратную сторону от I₂ до I₁производится подачей отрицательного импульса на динистор. Нетрудно показать, что рабочая точка б. является неустойчивой. Появление любой флуктуации тока в этой точке будет приводить к дальнейшему росту этой флуктуации. Если флуктуация положительная, то рабочая точка перемещается из б— в в—, если отрицательная, то из б в а. Таким образом, при переключении система переходит из одного устойчивого состояния в другое.

Схема релаксационного генератора получается присоединением к динистору конденсатора (рис. 3). В этом случае и нагрузочная прямая пересекает вольт—амперную характеристику динистора только в одной точке, причем Е выбирается такое, чтобы эта точка была на участке отрицательного сопротивления. При включении источника питания конденсатор начнет заряжаться. Как только он зарядится до напряжения , динистор включится, и ток через него начнет лавинообразно увеличиваться. Так как напряжение на конденсаторе мгновенно уменьшиться не может, то рабочая точка скачком переходит из положения б в г (через точку в). После этого происходит разрядка конденсатора через динистор. Ток и напряжение уменьшаются от точки г до в. Если , то после разрядки конденсатора до напряжения динистор выключится, рабочая точка скачком перейдет из точки в в д (через б) и конденсатор опять начнет заряжаться. Этот процесс повторяется периодически, так как система может находиться в состоянии равновесия только в точке а, а она, как отмечалось выше, является неустойчивой (рис. 4). Импульсы тока появляются в момент разряда конденсатора при включении динистора. Время разряда конденсатора мало по сравнению с временем его зарядки ,поэтому можно считать, что период колебаний T=t₃. Как известно, при зарядке конденсатора напряжение на нем изменяется по закону

. (6)

Постоянная А определяется из начальных условий. В начале каждого периода ,поэтому при t=0, и . Тогда (5) можно записать как . При t = T, , следовательно,

. (7)

При большой величине емкости ток через динистор может оказаться выше допустимого, поэтому последовательно с конденсатором необходимо включать ограничивающий резистор.

Выполнение работы

1. Ознакомится с описанием установки для измерения параметров динистора.

2. Получить вольт – амперные характеристики динистора при различных температурах.

3. Определить по характеристикам параметры динистора.