Реферат: Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы

ТИРИСТОРЫ И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ КЛЮЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ

1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-пСТРУКТУРЫ

Нарядус приборами, дающими возможность осуществлять линейное усиление сигналов, вэлектронике, в вычислительной технике и,особенно в автоматике широкое применение находятприборы с падающим участком вольтамперной характеристики. Эти приборы чащевсего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое,характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующеесяминимальным сопротивлением.

10—15 лет назад в схемахэлектронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонаполненныйприбор — тиратрон. При подачеуправляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинныйпроцесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящими замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостногобиполярного транзистора появилась в самом начале 50-х годов и четырехслойнаяструктура, получившая вначале название «хук-транзистор», или транзистор словушкой в коллекторе.

Несколько позже было замечено,что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристикитиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и транзистор).

В ходе развития полупроводниковойтехники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характеристиками,хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можноотнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят подопределение тиристора, однако мы включаем их в этуглаву, исходя из области их применения.

Итак, начнём рассмотрениеосновных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуретипа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двухкрайних областей и от средней n-области.В соответствии с терминологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, называетсятриод-тиристором. Четырехслойная структура с двумявыводами от крайних областей называется диод-тиристором.

Еслитранзистор типа р-п-р-пвключить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. считать правую n-областьколлектором, и подать на нее отрицательное по отношению к базе (средняя n-область) смещение, а эмиттер (левая р-область) временно оставить разомкнутым, топодключенную к источнику питания

рис.1 Схематическое изображение биполярноготранзистора типа р-п-р-п с двойным переходом(ловушкой) в коллекторе.

часть транзистора, состоящую из трех областей, можнорассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику питания. Базаэтого условного транзистора к схеме не подключена, транзистор работает врежиме нулевого тока базы (рис.1).

Так как в данном случае мыимеем дело не с транзистором р-п-р, а с транзисторомп-р-п, то очевидно, что коллектором этогоусловного транзистора должен быть электрод, к которому подводитсяположительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому подводится отрицательноенапряжение. Другими словами, полярность приложенного к условному транзисторунапряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на немпадает почти все напряжение источника питания,тогда как правый р-ппереход имеет смещение в прямом направлении.

Обозначая двумя штрихами величины,относящиеся к этому условному транзистору, запишем

I’’

Отметим,что для структуры р-п-р-пв целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенномэмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматриваемой нами структуре, будемзаписывать без индексов. Таким образом,

I

к0 = I’’к =(B’'0+1)* I’’к0

т. е. обратный ток. коллектораструктуры р-п-р-пв (B’'0+1)

разпревосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностейструктуры р-п-р-п.

Так как выходным электродомусловного транзистора п-р-пявляется его эмиттер, а коллектор подключен к заземленной точке, то можносчитать, что условный транзистор включен по схеме с общим коллектором. Входнымэлектродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р-область.

Для транзистора, включенногопо схеме с общим коллектором, усиление по току как отношение изменениявыходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно

<img src="/cache/referats/8670/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1035"><img src="/cache/referats/8670/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1033"><img src="/cache/referats/8670/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1032"><img src="/cache/referats/8670/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1030"><img src="/cache/referats/8670/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1029"><img src="/cache/referats/8670/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1027"><img src="/cache/referats/8670/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1026">ê I’’

э ê I’’э 1 1

<img src="/cache/referats/8670/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1034"><img src="/cache/referats/8670/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1031"><img src="/cache/referats/8670/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1028">ê I’’

б êI’’э- êI’’к 1-êI’’к/êI’’э 1 - a’’0

Следовательно,изменение тока базы условного транзистора должно привести к изменению тока ввыходнойцепи, в 1

/(1 - a’’0) раз большему.

Если подать смещение в прямомнаправлении на левый р-ппереход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться егополем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левыхслоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, включенный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условноготранзистораI’

эбудет, очевидно, равен току эмиттераIэструктурыр-п-р-п.

Таким образом, получаем, чтоструктура р-п-р-ппредставляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостныхтранзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором

п-р-п,включенным по схеме с общим коллектором.Рис а,

Так как областиn1и n2практически представляютсобой одну и ту же n-область,связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основаниязаземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p1 и р2соединеннымипроводником.

Усиление по току структуры вцелом определяется соотношением

a0=a’0/[1-a’’0]

Такимобразом, при условии, что коэффициент усиления по току каждого из условныхтранзисторов (a’0, и a’’0)меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры

а) б)

Схематическое изображение двухстадий (а и б) разделения транзистора р-п-р-п на дваусловных триода р-п-р и п-р-п

р-п-р-пв целом можетзначительно превышать единицу. Поясним механизм работы этой структуры с помощьюэнергетических диаграмм рис.2.Когдаотсутствует внешнее напряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2 а

)будет иметь вид, представленный на рис. 2 б

Дополнительный потенциальныйбарьер в коллекторе принято обычно называть ловушкой, в связи с чем структурутипа р-п-р-пиногда называли транзистором с ловушкой в коллекторе.

Когда приложены внешниенапряжения указанной выше полярности, высота потенциального барьера среднегоперехода резко возрастает, а высота левого и правого потенциальных барьеровнесколько понижается. Если рассматривать только теоретическую модель, т. е.пренебречь падением напряжения на распределенном сопротивлении, то высоталевого барьера понизится на величину приближенного к эмиттеру напряжения, авысота правого барьера на величину, определяемую током I’

к,протекающим через этот переход рис.в

Изменение напряжения между эмиттером и базой приводитк инжекции дырок в среднюю n-область. Диффундируя через среднюю n-область и попадая через запертый переход всреднюю р-область,дырки повышают концентрацию основных носителей в этой области.

Повышение концентрацииосновных носителей в средней р-области приводит кпонижению высоты правого р-п перехода и инжекции электронов из правой n-области в среднюю р-область.Электроны проходят среднюю р-область и уходят черезпотенциальный барьер в среднюю n-область.Часть из них рекомбинирует в р-области.

Условиеравновесия и электрической нейтральности требует чтобы число дырок, вошедших в р-область, было равно числу электронов рекомбинировавшихпри движении через p-область.

Отсюдаясно, что поскольку рекомбинирует в объеме 1

вызываетинжекцию в эту область в 1/(1

- a’’0) раз большего количестваэлектронов. Так как число дырок, достигших средней р-области,a’0вразменьше числа дырок, инжектированных эмиттером (левой p-областью), а число электронов, вызванных этимидырками из правой n-области,в 1/(1 - a’’0) раз больше, чем число дырок, достигших р-области, торезультирующий коэффициент передачи тока оказывается равным:

a0

= a’0 /(1 - a’’0)

Рис. 2.Диаграммы положения границ зон и прохождения носителей заряда в структуре р-п-р-п:

а—схематическое изображение структуры р-п-р-п,б — положение границ зон при отсутствии внешних напряжений, в—положение границзон при подаче, на коллектор отрицательного, а на эмиттер положительногосмещения

относительно базы

<img src="/cache/referats/8670/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1048"> положение границ зон до подачи смещения,

<img src="/cache/referats/8670/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1049"> изменение положения границ зон правого перехода при попаданииинжектированных эмиттером дыроквсреднюю р-область.

Коэффициент усиления по току, превышающий единицу,при соответствующем направлении входного и выходного тока обеспечивает работуприбора в ключевом режиме.

Биполярныйтранзистор при включении его по схеме с общей базой имеет необходимыенаправления токов, но его коэффициент усиления по току a0

<1. При включении по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по токупревышает единицу(B0>1),но не соблюдаются необходимые направления токов. В четырехслойной тиристорной структуре выполняются оба эти условия.

Динистор.Рассмотрим работу диодасостоящегоиз четырех чередующихся слоевp1-n1-p2-n2(рис.5-8, а). Если подать на него не оченьбольшое напряжениеUплюсом на слой р1иминусом на слой n1, топотечет ток, как показано стрелкой. В результате переходы П1 и П2будут работать в прямом направлении, а переход П2 — в обратном. Таким образом, получится как бысочетание двух транзисторов в одном приборе (рис.5-8, б) (Комбинациятранзисторов р-п-р и п-р-п,показанная на рис. 5-8, б, действительно обладает свойствами динистора и может быть использована на практике.): однимтранзистором является комбинация слоевp1-n1-p2,другим — комбинация слоев п1-р2-n2.Слоиp1и n2являются эмиттерами,n1и p2, —базами для одного транзистора и коллекторами длявторого. Во избежание путаницы их называют базами. Переход П2называют коллекторным.

Рис 3. Структура динистора(а) и его двухтранзисторный эквивалент (б).

Рассмотрим четырехслойную структуру,изображенную на рисунке 3. В этом случае напряжение окажется приложенным сосновном к переходу П2, который будет работатьв режиме коллектора. Переходы П1 и П2 окажутсясмещенными в прямом направлении. Переход П будет представлять собой эммитер, инжектирующий неосновные носители в область n1,выполняющую роль базы для первого эммитера. Дырки,прошедшие первую базу и коллекторный переход П2, появляются во второй базе.Их нескомпенсированный объемный заряд будет понижать высоту потенциального барьера перехода П3 и вызывать встречную инжекцию электронов.

Аналогичным образом можно рассматриватьинжекцию электронов из области n2 в областьp2их появление в областьn1и встречную вторичную инжекцию дырок из области p1в область n1. Таким образом, обе крайние области выполняютроль эммитеров, причем каждый эммитеротвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эммитера. Этим создаютсявсе необходимые предпосылки для развития лавинного процесса. Тем не менеелавинный процесс роста тока через систему начинается не при любом напряжение наструктуре, а только при некотором достаточно большом напряжении.

Если изменить полярность напряжения,приложенного к рассматриваемой структуре, на обратную, то переходы П1 и П3окажутся смещенными в обратном направлении. Если оба эти перехода достаточновысоковольтные, то вольт-амперная характеристикабудет иметь вид обратной ветви обычной диодной характеристики.

Покаколлекторный переход работает в обратном направлении, практически всеприложенное напряжение U падает нанем. Поэтому при больших значениях Uследует учитывать ударную ионизацию в этом переходе. Примем для дырок и электронов один и тот жекоэффициент умножения М (чтобы неусложнять выкладки) и обозначим через a1 и a3 интегральные коэффициенты передачи тока отпереходов П1 и П3 кпереходу П2. Тогда ток последнего можно записать в следующем виде:

Iп2=M(Ia1+Ia3+Ik0 ) (1)

где Ik0—сумматеплового тока, тока термогенерации и тока утечки впереходе П2.

Поскольку токи через все три перехода одинаковы и равнывнешнему току I,легконаходим:

I=MIk0/(1-Ma) (2)

Здесь a=a1-a3суммарный коэффициент передачитока от обоих эмиттеров к коллекторному переходу. Выражение (2) в неявном виде является вольт-ампернойхарактеристикой динистора, так как параметрMв правой части зависит от напряжения (ТокIk0 при том его определении, котороебыло дано в формуле (1), тоже зависит от напряжения. Однако учет этойзависимости наряду с зависимостью М. (U) сильно усложняет задачу. В некоторыхслучаях (например, если переход П2, зашунтирован небольшим заранее известнымсопротивлением) можно пренебречь функцией М (U) и считать зависимость отнапряжения сосредоточенной в функцииIk0(U). Вдругих случаях можно учесть зависимость a(U) и пренебречь функциями М (U) и Ik0(U). Наконец, можно использовать различные'комбинации этих функций. Общая методика анализа при этом не меняется.).Структура выражения (2)такая же, как в случае лавинного транзистора при Iб== 0. Такое сходство вполнеестественно, поскольку оба «составляющих транзистора» в динисторе(рис. 3, б) включены по схеме ОЭ соборванной базой.

Вольт-амперная кривая динисторавместе с его условным обозначением показана на рис. 4. Как видим, она подобнахарактеристике лавинного транзистора в схеме ОЭ (см. рис. 4)… Однакосущественным преимуществом динисторов является то,что рабочее напряжение в области больших токов у них значительно меньше и почтине зависит от тока. Кроме того, динисторы работаютбез всякого предварительного смещения в цепи базы в отличие от лавинныхтранзисторов, у которых такое смещение необходимо (рис. 4, а). Критические точки характеристики на рис. 4, в которых r==dU/dI== 0,называют соответственно точкой прямого переключения (ПП) и точкой обратного переключения (ОП).

Рис.4. Вольт-амперная характеристика динистора.а-начальный участок;б-полная кривая.

Происхождение отрицательногоучастка на характеристике динистора обусловлено тойже причиной, что и в лавинном транзисторе. А именно, у обоих приборов на этомучастке задан постоянный ток базы (у динистора онравен нулю). Поэтому должно выполняться соотношение dIk =dIэ, т. е. дифференциальный коэффициент а должен быть всевремя равен единице. С ростом тока величина aстремится возрасти,но это возрастание предотвращается уменьшением напряжения на коллекторномпереходе, т. е. ослаблением ударной ионизации. Такой же вывод следует изформулы (2), в которых знаменатель неможет быть отрицательным, и, следовательно, начиная с некоторой рабочей точки, увеличение интегрального коэффициента aдолжно сопровождаться уменьшением коэффициента M,т. е. уменьшением коллекторного напряжения.

Однако, несмотря на определенное сходство с лавиннымтранзистором, имеет принципиальную особенность. Эту особенность легко показать,если представить вольт-амперную характеристику вформеU(I).Подставив выражение для характеристики в области ионизации в (2) и решив последнее относительнонапряжения, получим:

U=UM[1-(a*I+Ik0)/I]1/n (3)

Улавинного транзистора, у которого a<1 при любом токе, напряжениеUkвсегда имеет конечную величину. У динистора, укоторого суммарный коэффициент a==a1+a3 может превышать единицу, напряжениеU (точнее, напряжение наколлекторном переходе) делается равным нулю при некотором конечном токе /. Приеще большем токе формулы (2) и (3) становятся недействительными, так как

коллекторный переход оказывается смещенным в прямомнаправлении и механизм работы динистора качественноизменяется. Рассмотрим отдельные участки характеристики, показанной на рис. 4.

Начальный участок 1 характерен очень малыми токами, прикоторых можно считатьa@0.Сопротивление на этом участке весьма велико, поэтому заданной величиной всегдабывает напряжение, а ток можно найти по формуле (2).

На переходном участке 2 рост напряжения замедляется, а сопротивлениерезко падает. Эти изменения являются следствием увеличения коэффициента а и могут быть легко оценены с помощьювыражения (3).

В конце второго участка, вточке ПП, сопротивление обращается в нуль, а затем (при заданном токе)становится отрицательным. Координаты точки прямого переключения определяютсяусловиемdU/dI = 0.

Напряжение Uп.побычноблизко к величине Umи дляразных типов динисторов лежит в широких пределах от25—50 до 1 000—2 000 в (Эти цифры характерны для серийных динисторов.Можно изготовить аналогичные приборы с рабочими напряжениями всего в нескольковольт). Ток Iп.плежитв пределах от долей микроампера до нескольких миллиампер в зависимости отматериала и площади переходов.

На отрицательном участке 3 характеристика по-прежнему описываетсяформулой (3),которую, однако, можно упростить, полагая aI >Ik0. Тогда

U@UM(1-a)1/n (4)

где aувеличивается с ростомтока. Дифференцируя (4) потоку, получаем сопротивление на этом участке:

r= - UM (da/dI)/ n(1-a)[n-1]/n (5)

Отсюдавидно, что величина сопротивления должна существенно меняться с изменениемтока. Характер этого изменения определяется функцией a(I) и в общем случаеможет быть немонотонным. Однако чаще всего сопротивление rвозрастает (по модулю) с ростом тока. Средняявеличина ôrôмеждуточками ПП и ОП лежит обычно в пределах от 5—10 до 50—100 ком.

Коллекторное напряжение,уменьшаясь на участке 3, делаетсяравным нулю в точке Н (ТочкаН обозначает границу режима насыщения—режима, в котором и эмит-терные,и коллекторный переходы работают в прямом направлении.). Изформулы (3) приU = 0 получаем соотношение

I=Ik0/[1-a] (6)

из которого определяется ток Iн.Поскольку этот ток несравненно больше, чем Iк0, его можно определять изусловия

a=a1+ a3 @ 1 (7)

пользуясь графиками a(I).

Напряжение Uнявляется суммой напряжений на эмиттерных переходах,так как Uп2=0.Используя формулу UЭ=jT ln(Iэ/I`э0+1+an(euk/yt-1))приUk=0,Iэ= Iнисчитая оба эмиттерных перехода одинаковыми, получаем:

Uн=2 jT ln(Iэ/I`э0) (8)

Этонапряжение составляет несколько десятых долей вольта у германиевых динисторов и 0,5—1 в— у кремниевых.

При токеI> Iнпереход П2, будучи смещен в прямом направлении, инжектируетносители навстречу тем потокам, которые поступают от эмиттеров. Инжектируемыйкомпонент тока Iп2равенразности между собираемым компонентом(a1Iп1+a3Iп3)и полнымтоком Iп2.Поэтому если для простоты положить a1= 0(т. е. считать, что носители, инжектируемые переходом П2. не доходятдо эмиттеров) и принять условиеU >>jT для всехтрех переходов, то напряжение на открытом динистореможно выразить с помощью формулы UЭ=jT ln(Iэ/I`э0+1+an(euk/yt-1))ввиде суммы напряжений на переходах:

U=jT[ln(Iп1/ Iэ01)-ln[(a1Iп1+a3Iп3)-Iп2]/ Iэ02+ln (Iп3/Iэ03)] (9 a)

(токи I`э0замененына Iэ0, таккак принято a1= 0).

Учитывая, чтоIп1= Iп2= Iп3= I иполагая токи Iэ0одинаковыми у всех переходов,получаем простое приближенное выражение:

U=jTln([I/Iэ0]/[a-1]) (9 б)

Вблизиточки Н, гдеa@1,увеличение тока, а вместе с ним коэффициента а приводит к сильному увеличениюразностиa — 1и напряжение несколько уменьшается (участок 4). В точке ОП напряжение достигаетминимума и в дальнейшем растет с ростом тока (участок 5) за счет падениянапряжения в толстой базе (Наличиетолстой базы в структуре динистора характерно длябольшинства реальных приборов по конструктивно-технологическим причинам.Коэффициент переноса cв такой базе существенно меньше единицы, поскольку обычноw>> L. Этообстоятельство не препятствует работе динистора, есливыполняется условиеa1+ a3> 1. Более того, малый коэффициент переноса втолстой базе желателен, потому что при этом суммарный коэффициент aв области малых токов нарастает медленнее, а это обеспечивает большиенапряжения переключения.).

Обычно параметры точек Н и ОПблизки друг к другу, поэтому можно вычислять координаты точки ОП по формулам(8) и (9).

При отрицательном напряжении Uпереход П2 оказывается смещенным впрямом направлении и дырки инжектируются в слойn1, а электроны — в слой p2.ПереходыП1и П3 смещены в обратном направлении и являются в данном случаеколлекторными. Таким образом, динистор в этом режимеэквивалентен двум последовательно включенным транзисторам (р-п-р и п-р-п) с оборванными базами. Напряжение пробоя в такой комбинациизависит от типа переходов П1 и П3 (плавные илиступенчатые), а также от материала баз.

Важной проблемой приразработке динисторов и других аналог

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Радиоматериалы и радиокомпоненты

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Современные микропроцессоры (апрель 2001г.)

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Рубиновый оптический квантовый генератор

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Усилители постоянного тока

29 Августа 2013