Реферат: Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы

1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРЫ

Наряду с приборами, дающимивозможность осуществ­лять линейное усиление сигналов, в электронике, в вычис­лительнойтехнике и, особенно в автоматике широкоепри­менение находят приборы с падающим участком вольтамперной характеристики.Эти приборы чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют двасостояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое,характеризующееся минимальным сопротив­лением.

10—15 лет назад в схемах электронной автоматики вкачестве электронного ключа использовали газонапол­ненный прибор — тиратрон.При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начиналсялавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становилсяпроводящим и замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостного биполярного транзисторапоявилась в самом начале 50-х годов и четырехслойная структура, получившаявначале название «хук-транзи­стор», или транзистор с ловушкой в коллекторе.

Несколько позже было замечено, что характеристики такойструктуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типаполучили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и тран­зистор).         

В ходе развития полупроводниковой техники появились идругие приборы, обладающие аналогичными характери­стиками, хотя их работа иоснована на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовыйдиод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определениетиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.

Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов,протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которойвыводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терми­нологией МЭКприбор, имеющий такую структуру, назы­вается триод-тиристором.Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.

   Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включаетсятранзистор типа р-п-р, т. е. счи­тать правую n-область коллек­тором, и подать на нее отри­цательноепо отношению к ба­зе (средняя n-область) смеще­ние, а эмиттер (левая р-область)  временно  оставитьразомкнутым, то подключен­ную к источнику питания                

/>

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

частьтранзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать каксамостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером иколлектором к источнику пита­ния. База этого условного транзистора к схеме неподклю­чена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).

Так как в данном случае мы имеем дело не с транзисто­ромр-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что кол­лекторомэтого условного 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 обратномнаправлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеетсмещение в прямом направлении.   

Обозначая двумя штрихами вели­чины, относящиеся к этомуусловному транзистору, запишем

I’’к= I’’э=(B’'0+1)* I’’к

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,

Iк=I’’к=(B’'0+1)* I’’к

т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-пв (B’'0+1) раз превосходит обратный токодиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р-п.

Так как выходным электродом условного 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, включенного по схеме с общим кол­лектором,усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему егоизменению входного тока будет равно

/>/>/>/>/>/>/>êI’’э                  êI’’э                                 1                                1

/>/>/>êI’’б            êI’’э— êI’’к            1-<sub/>êI’’к/êI’’э           1   -  a’’0

Следовательно, изменение токабазы условного тран­зистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1   -  a’’0) раз большему.

Если подать смещение в прямом направлении на левый р-ппереход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространятьсядиффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем ивыбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, кактранзистор типа р-п-р, вклю­ченный с общей базой. Ток эмиттера этоголевого условного транзистора I’э будет, очевидно, равен токуэмиттера Iэструктуры р-п-р-п.

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

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

Так как области n1 и n2 практически представляют собой одну и ту же n-область, связанную выводом базыс заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую изэтих областей, оставив области p1 и р2 соединенными проводником.            

Усиление по току структуры в целом определяетсясоотношением

a=a’0/[1-a’’0]

Таким образом, при условии, чтокоэффициент усиле­ния по току каждого из условных транзисторов ( a’0, и a’’0) меньше единицы, коэффициентпередачи тока структуры

/>/>

                                    а)                                           б)

Схематическое изображение двухстадий (а и б) разде­ления транзистора р-п-р-п на два условных триода р-п-р ип-р-п

р-п-р-п в целом может значительно превышать единицу. Поясним механизмработы этой структуры с помощью энергетических диаграмм рис. 2. Когда отсутствует внешнеенапряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2а) будет иметь вид, представленный на рис. 2б

Дополнительный потенциальный барьер в коллекторе принятообычно называть ловушкой, в связи с чем струк­туру типа р-п-р-п иногданазывали транзистором с ловуш­кой в коллекторе.

Когда приложены внешние напряжения указанной вышеполярности, высота потенциального барьера среднего пере­хода резко возрастает,а высота левого и правого потен­циальных барьеров несколько понижается. Еслирассмат­ривать только теоретическую модель, т. е. пренебречь паде­ниемнапряжения на распределенном сопротивлении, то высота левого барьера понизитсяна величину приближенного к эмиттеру напряжения, а высота правого барьера навеличину, определяемую током I’к, протекающим через этот переходрис.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 вэтой области.

Повышение концентрации основных носителей в среднейр-области приводит к пони­жению высоты правого р-п перехода и инжекцииэлек­тронов из правой n-области в среднюю р-область. Элек­троны проходят среднюю р-об­ласть иуходят через потен­циальный барьер в среднюю n-область. Часть из них рекомбинирует в р-области.

Условие равновесия и электрической нейтральности требует чтобы число дырок,вошедших в р-область, было равно числу электронов рекомбинировавших придвижении через p-область.

Отсюда ясно, что посколькурекомбинирует в объеме 1   -  a’’0 от всех вошедших в этот объем электронов то появление в среднейр-области некоторого количества дырок

вызывает инжекцию в эту областьв  1/(1  -  a’’0)  раз большего количества электронов. Так как число дырок, достигшихсредней р-области,a’0 в раз меньше числа дырок,инжектированных эмиттером (левой p-областью), а число электро­нов, вызванных этими дырками из правой n-области, в 1/(1   -  a’’0)<sub/> раз больше, чем число дырок, достигших р-области, торезультирующий коэффициент передачи тока ока­зывается равным:

a    =      a’0/(1   -  a’’0)

/>

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

а—схематическое  изображение структуры р-п-р-п, б — положение границ зон при отсутствии внешнихнапряжений, в—положение границ зон при подаче, на коллектор отрицательного, ана эмиттер положительного смещенияотносительно базы

/>            положение границ зон до подачисмещения, 

/>            изменение положения границ зонправого перехода при попадании инжектированных эмиттером дыроквсреднюю р-область.

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

    Биполярный транзистор при включении его по схеме с общей базой имеетнеобходимые направления токов, но его коэффициент усиления по току a< 1. При включении по схеме собщим эмиттером коэффициент усиления по току превышает единицу (B0 > 1), но не соблюдаются необхо­димые направления токов. Вчетырехслойной тиристорной структуре выполняются оба эти условия.

Динистор. Рассмотрим работу диода состоящего из четырех че­редующихся слоев p1-n1-p2-n2 (рис. 5-8, а). Еслиподать на него не очень большое напряжение U плюсом на слой р1 и минусом на слой n1, то потечет ток, как показанострелкой. В результате переходы П1 и П2 будут работать впрямом направлении, а переход П2  — в обратном. Таким образом,получится как бы сочетание двух транзисторов в одном приборе     (рис.5-8, б) (Комбинациятранзисторов р-п-р и п-р-п, показанная на рис. 5-8, б, действительно обладаетсвойствами динистора и может быть использована на практике.): однимтранзистором является комбинация слоев p1-n1-p2, другим — комбинация слоев п1-р2-n2. Слои p1<sub/>и n2 являются эмиттерами, n1 и p2, — базами для одного транзистора иколлекторами для второго. Во избежание путаницы их называют базами. Переход П2называют коллекторным.

/>

Рис 3. Структура динистора (а) иего двухтранзисторный эквивалент (б).

     Рассмотрим четырехслойную структуру,изображенную на рисунке 3. В этом случае напряжение окажется приложенным сосновном к переходу П2, который будет работать в режиме коллектора.Переходы П1 и П2 окажутся смещенными в прямомнаправлении. Переход П будет представлять собой эммитер, инжектирующийнеосновные носители в область n1, выполняющую роль базы для первого эммитера. Дырки,прошедшие первую базу и коллекторный переход П2, появляются вовторой базе. Их нескомпенсированный объемный заряд будет понижать высотупотенциального барьера перехода П3 и вызывать встречную инжекциюэлектронов.

     Аналогичным образом можно рассматриватьинжекцию электронов из области n2 в область p2 их появление в область n1 и встречную вторичную инжекцию дырок из области p1 в область n1. Таким образом, обе крайние области выполняютроль эммитеров, причем каждый эммитер отвечает вторичной встречной инжекцией наинжекцию другого эммитера. Этим создаются все необходимые предпосылки дляразвития лавинного процесса. Тем не менее лавинный процесс роста тока черезсистему начинается не при любом напряжение на структуре, а только при некоторомдостаточно большом напряжении.

     Если изменить полярность напряжения, приложенного крассматриваемой структуре, на обратную, то переходы П1 и П3 окажутся смещенными в обратномнаправлении. Если оба эти перехода достаточно высоковольтные, то вольт-ампернаяхарактеристика будет иметь вид обратной ветви обычной диодной характеристики.

    Пока коллекторный переход работает в обратном направлении, практически всеприложенное напряжение U падает на нем. Поэтому при больших значениях Uследует учитывать ударную ионизацию в этом переходе. Примем  для дырок иэлектронов один и тот же коэффициент умножения М (чтобы не усложнятьвыкладки) и обозначим через a1   и  a3  интегральные коэффициенты передачи тока отпереходов П1 и П3к переходу П2. Тогда токпоследнего можно записать в следующем виде:

Iп2=M(Ia1+Ia3+Ik0)       (1)

где Ik0—сумма теплового тока, токатермогенерации и тока утечки в переходе П2.

Посколькутоки через все три перехода одинаковы и равны внешнему токуI, легко находим:

           I=MIk0/(1-Ma)       (2)

    Здесь a=a1-a3суммарный коэффициент передачитока от обоих эмиттеров к коллектор­ному переходу. Выражение (2) в неявном виде являетсявольт-амперной характеристикой динистора, так как параметр M в правой части зависит отнапряжения (ТокIk0  при том его определении,которое было 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). В других случаях можно учестьзависимость a(U) и пренебречь функциями М (U) и Ik0(U). Наконец, можноиспользовать различные 'комбинации этих функций. Общая методика анализа приэтом 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 с оборванной базой.

     Вольт-амперная кривая динистора вместе с его условным обозна­чением показана нарис. 4. Как видим, она подобна характеристике лавинного транзистора в схеме ОЭ(см. рис. 4)… Однако существенным преимуществом динисторов является то, чторабочее напряжение в области больших токов у них значительно меньше и почти независит от тока. Кроме того, динисторы работают без всякого предва­рительногосмещения в цепи базы в отличие от лавинных транзисторов, у которых такоесмещение необходимо (рис. 4, а). Критические точки характеристики нарис. 4, в которых r == dU/dI == 0, называют соответственно точкой прямого переключе­ния (ПП) иточкой обратного переключения (ОП).

/>

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

Происхождение отрицательного участка на характеристикединистора обусловлено той же причиной, что и в лавинном тран­зисторе. А именно,у обоих приборов на этом участке задан постоянный ток базы (у динистора онравен нулю). Поэтому должно выполняться соотношение dIk = dIэ, т. е. дифференциальныйкоэффициент а должен быть все время равен единице. С ростом тока величина a стремится воз­расти, но этовозрастание предотвращается уменьшением напряжения на коллекторном переходе, т.е. ослаблением ударной иони­зации. Такой же вывод следует из формулы  (2), вкоторых знаменатель не может быть отрицательным, и, следова­тельно, начиная снекоторой рабочей точ­ки,  увеличение  интегрального коэффициента a должно сопровождатьсяуменьшением коэффициента M, т. е. умень­шением коллекторного напряжения.

Однако,несмотря на определенное сходство с лавинным транзистором, имеет принципиальнуюособенность. Эту особенность легко показать, если представить вольт-ампернуюхарактеристику в форме U(I). Подставив выражение для характеристики в области ионизации  в (2) ирешив последнее относительно напряжения, получим:

U=UM[1-(a*I+Ik0)/I]1/n      (3)

У лавинного транзистора, укоторого a< 1 при любом токе, напряже­ние Uk всегда имеет конечную величину. У динистора, у которогосум­марный коэффициент a == a1+a3 может превышать единицу, напря­жение U (точнее, напряжение наколлекторном переходе) делается равным нулю при некотором конечном токе /. Приеще большем токе формулы (2) и (3) становятсянедействительными, так как

коллекторныйпереход оказывается смещенным в прямом направлении и механизм работы динисторакачественно изменяется. Рассмотрим отдельные участки характеристики, показаннойна рис. 4.

Начальный участок 1 характерен очень малымитоками, при которых можно считать a @ 0. Сопротивление на этом участкевесьма велико, поэтому заданной величиной всегда бывает напряжение, а ток можнонайти по формуле (2).

На переходном участке 2 рост напряжениязамедляется, а сопро­тивление резко падает. Эти изменения являются следствиемувеличения коэффициента а и могут быть легко оценены с помощью выражения(3).

В конце второго участка, в точке ПП, сопротивлениеобращается в нуль, а затем (при заданном токе) становится отрицательным. Коор­динатыточки прямого переключения определяются условием dU/dI=0.

Напряжение Uп.п обычно близко к величине Um и для разных ти­пов динисторовлежит в широких пределах от 25—50 до 1 000—2 000 в ( Эти цифры характерны длясерийных динисторов. Можно изготовить ана­логичные приборы с рабочиминапряжениями всего в несколько вольт). Ток Iп.п лежит в пределах от долеймикроампера до нескольких мил­лиампер в зависимости от материала и площадипереходов.

 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 a увеличивается с ростом тока. Дифференцируя (4) по току, получаемсопротивление на этом участке:    

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

Отсюда видно, что величинасопротивления должна существенно меняться с изменением тока. Характер этогоизменения определяется функцией a(I) и в общем случае может быть немонотонным. Однакочаще всего сопротивление r возрастает (по модулю) с ростом тока. Средняя величина ôrô между точками ПП и ОП лежитобычно в пределах от 5—10 до 50—100 ком.

Коллекторное напряжение, уменьшаясь на участке 3,делается равным нулю в точке Н (Точка Н обозначает границу режима насыщения—режима, вкотором и эмит-терные, и коллекторный переходы работают в прямом направлении.). Из формулы (3) при U = 0 получаемсоотношение                   

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

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

   a = a1 + a3 @ 1<sub/>                    (7)

 пользуясь графиками a (I).

Напряжение Uн является суммой напряжений на эмиттерных переходах, так как    Uп2 = 0. Используя формулу UЭ=jT ln(Iэ/I`э0+1+an(euk/yt-1)) при Uk=0, Iэ = Iн и считая оба эмиттерныхперехода одинаковыми, получаем:

Uн=2 jT ln (Iэ/I`э0)                   (8)

Это напряжение составляетнесколько десятых долей вольта у германиевых динисторов и 0,5—1 в — укремниевых.

При токеI > Iн переход П2, будучисмещен в прямом направ­лении, инжектирует носители навстречу тем потокам,которые посту­пают от эмиттеров. Инжектируемый компонент тока Iп2 равен раз­ности междусобираемым компонентом (a1 Iп1+ a3 Iп3) и  полным током Iп2. Поэтому если для простотыположить a1 = 0 (т. е. считать, чтоносители, инжектируемые переходом П2. не доходят до эмиттеров) ипринять условие U>>jT  для всех трех переходов, тонапряжение на открытом динисторе можно выразить с помощью формулы UЭ=jT ln(Iэ/I`э0+1+an(euk/yt-1)) в виде суммы напряжений напереходах:

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

 (токи I`э0 заменены на Iэ0,так как принято a1= 0).

Учитывая, что Iп1 = Iп2 = Iп3 = I и полагая токи Iэ0одинаковыми у всех переходов, получаем простое приближенное выражение:

U=jT ln([I/Iэ0]/[a-1])             (9 б)

Вблизи точки Н, где a @1, увеличение тока, а вместе с нимкоэф­фициента а приводит к сильному увеличению разности a — 1 и напря­жение несколькоуменьшается (участок 4). В точке ОП напряжение достигает минимума и вдальнейшем растет с ростом тока (участок 5) за счет падения напряжения втолстой базе (Наличиетолстой базы в структуре динистора характерно для большинства реальных приборовпо конструктивно-технологическим причинам. Коэффициент переноса cв такой базе существенно меньшеединицы, поскольку обычноw >> L. Это обстоятельство не препятствует работединистора, если выполняется условиеa1+ a3> 1. Более того, малыйкоэффициент переноса в толстой базе желателен, потому что при этом суммарныйкоэффициент aв области малых токов нарастает медленнее, а этообеспечивает большие напряжения переключения.).

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

При отрицательном напряжении U переход П2 оказывается сме­щенным впрямом направлении и дырки инжектируются в слой n1, а электроны — в слой p2. Переходы П1 и П3 смещены в обратномнаправлении и являются в данном случае коллекторными. Таким образом, динистор вэтом режиме эквивалентен двум последовательно включенным транзисторам (р-п-ри 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 при разработке динисторов и другиханалогич­ных приборов является обеспечение плавного изменения коэф­фициента а вобласти малых токов. Действительно, как уже отмечалось, 2-й (переходный)участок вольт-амперной кривой (рис. 4)  характерен заметной и растущей рольюслагаемого aI по срав­нению с током Ik0в формуле (3). Значит, чем медленнее увеличи­ваетсяa cростом тока, темпозднее (при больших токах) начнется 2-й участок и тем больше будет напряжениепереключения, что обычно желательно в таких приборах. С этой точки зренияпредпочтительным материалом для динисторов является кремний, так как укремниевых переходов благодаря большей роли процессов генерации — рекомби­нации коэффициентинжекции при малых токах близок к нулю и с ростом тока увеличивается весьмамедленно. Еще одним преимуществом кремния является малая величина тока в запер­томсостоянии прибора. Однако, с другой стороны, кремниевые переходы характерныбольшей величи­ной прямого напряжения и большим сопротивлением слоев. Этоухудшает параметры динистора в открытом состоянии.

/>

Рис. 5. Структура тринистора.

Чтобы ослабить зависимость a (I) при малых то­ках (особенно у германиевых структур),часто шун­тируют эмиттерный переход небольшим сопротив­лением R. Тогда значительная часть общеготока ответвляется в это сопротивление, минуя эмиттер. Тем самым эмиттерный ток,а вместе с ним и коэффициент а при прочих равных условиях умень­шаются.

В последнее время одну из баз динисторов обычно легируютзоло­том. Цель такого легирования — уменьшить время жизни и тем самым время переключения. При этомодновременно возрастает отношение w/L (поскольку L =(dt) 1/2), а значит, и коэффициент a, что опять-таки способствуетповышению напряжения переключения.

Тринистор. Снабдим одну из баз динистора, например п1, внеш­ним выводом и используемэтот третий электрод для задания дополни­тельного тока через переход p1-n1 (рис. 5) (Реальные четырехслойные структурыхарактерны различной толщиной баз. В качестве управляющей используется тон­каябаза, у которой коэффициент передачиa1близок к единице.). Тогда получится прибор,обладающий свойствами тиратрона. Для такого прибора (тринистора) принята та жетерминология, что и для обычного тран­зистора: выходной ток называетсяколлекторным, а управляющий — базовым. Эмиттером считается слой, примыкающий кбазе, хотя с физической точки зрения эмиттером является и второй внешний слой(в нашем случае п2). Условное обозначение тринистора вместе с семей­ством характеристикпоказано на рис. 6. Как видим, увеличение управляющего тока Iб приводит прежде всего куменьшению напряже­ния прямого переключения. Кроме того, несколько возрастаетток прямого переключения, а ток обратного переключения уменьшается.В результатеотдельные кривые с ростом тока Iб какбы «вписываются» друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательногоучастка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).

Элементарный анализ тринистора можко провести, исходя изформулы (1), в которой нужно положить Iп3 = Iп2 = Ik  и Iп1 = Ik + Iб.Тогда вместо формулы (2) получим для тока Ik более общее выражение          

Ik = (MIk0+(Ma1)Iб)/(1-Ma)     (10)

Здесь по-прежнему    a = a1 + a3 — суммарный коэффициент пере­дачи,в котором составляющая a3 является функцией тока Ik, а состав­ляющая a1 — функцией суммы токов Ik + Iб. Задавая положительный ток Iб, мы тем самым задаем начальноезначение коэффициента a1 (при Ik ==0). Поэтому любому току Ik будет соответствовать большеезначение a, азначит, и большее значение а, чем при Iб = 0.       

/>

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тринистора приположительном токе базы.

Решая (10) относительно M и  используя выражение для характеристики в области ионизации, не-. труднопредставить вольт-амперные характеристики тринистора в форме Uк (Iк):

Uк =Um[(1- a Iк + Iк0+a1Iб)/ Iк]1/n      (11)

В частном случае, при Iб = 0, получается характеристикадинистора (3). Выражение (11) ясно показывает, что данному току Iк соответствует тем меньшее напря­жение Uk, чем больше ток Iб (рис.6). Рассмотрим отдельныеуча­стки этого семейства.

На начальном участке мы имеем по существу семействохарактерис­тик обычного транзистора в схеме ОЭ.

Координаты точек прямого переключения определяются, каки в динисторе, условием dUk/dIk, == 0. Анализ показывает, что ток Iп.п возрастает с увеличением тока базы.

На рис. 7 показана пусковая характеристика тринистора,т. е. зависимость Uп.п(Iб).

Координаты точки Н, в которой напряжение на коллекторномпереходе П2 падает до нуля, определяются условием Uk = 0 в формуле (11).

Так же как в динисторе, можно в этой точке считать a @ 1 и опре­делять ток Iн из условия

a=a1(Iн + Iб)+ a3(Iн)==1.              (12)

Отсюда видно, что увеличениетока Iб, а значит, и коэффициента a1<sub/>сопровождается уменьшениемкоэффициента a3, а значит, и тока Iн. Соответственно несколько меньше будет и ток Io.п в точке обратного переключения.

Параметры тринистора в открытом состоянии практически неотличаются от параметров динистора, поскольку токIk в этой области значительнобольше тока Iб, и поэтому токи обоих крайних переходов почти одинаковы.

/>

Рис. 7. Пусковая характеристика тринистора

До сих пор мы рассматривали кривые с параметром Iб >0. При этом подразумевалось, чтоисточник базового тока представляет собой э. д. с. Eб<О, включенную последовательно ссопро­тивлением Rб (см. рис. 6). В частном случае,при Iб=0, можно было считать Eб = 0;rб = ¥ . Теперь рассмотрим работутринистора в условиях обратно­го смещения (Eб > 0)(рис. 8). Пусть э. д. с. Eб  достаточно велика и эмиттерныйпереход заперт. Тогда тринистор превращается в транзистор п1-р2-п2 (с оборванной базой p2), который включен последовательно с сопротивлением Rб и питается напряжением Eб + Uk. Коллекторный ток при такомвключении будет током транзистора в схеме ОЭ с оборван­ной базой:

      Ik=MIk0/(1-Ma3)

где a3 — коэффициент передачи тока отперехода П3 к переходу П2. Реальное запирающее смещениена эмиттерном пере­ходе будет меньше, чем э. д. с. Eб, на величину Ik Rб. С ростом токаIk смеще­ние будет уменьшаться, и при некотором токе I0, когда Eб — I0Rб = 0, эмиттерный переход отопрется.После этого базовый ток будет иметь неизменную отрицательную величину:

/>

Рис. 8. Вольт-амперныехарактеристики тринистора при отрицательном токе базы.

Iб= -I0= -Eб/Rб                      (13) 

которую можно считать параметром соответствующейхарактеристики. Если в формуле (11) положить  a1=0 и a= a3 и подставить Ik = I0, можно получить напряжение отпирания эмиттерногоперехода:

U0=UM  [1-(a3 I0+ Ik0)/ I0]1/n    (14)

Из формулы (13) видно, что ток I0, равный параметру кривой (току Iб), возрастает вместе с модулемпараметра. Что касается напря­жения U0, то оно несколько увеличивается.

Ток обратного переключения можно найти из уравнения (12), если считать Iн@Iо, п В случае малых отрицательныхтоков базы ток Iо, п  заметно больше тока I0@ôIбô. При больших токах ôIбô эта разница уменьшается.Отношение Iо, п/ôIбô можно назвать коэф­фициентом усиления при выключении; онопределяется.величиной а1/(а-1) и в обычных тринисторах непревышает (1). Очевидно, что с точки зрения управляемости при запираниисуммарный коэффициент передачи а не следует делать намного большим единицы.

На рис. 9, а показана типичная схема включениятринистора, а на рис. 9, б — ее рабочий цикл. Пусть Ek< Uп, по. Тогда в запер­том состоянии ипри токеIб = 0 рабочей точкой будет точка а.Увели­чивая ток Iб до значения Iб1, мы вызовем скачкообразный переход рабочей точкииз положения a1в положение b. В этом открытом состоя­ниитринистора падение напряжения на нем составляет всего лишь около 1 в,как и в динисторе. Поэтому ток нагрузки практически равен Ek/Rk.Для того чтобызапереть тринистор, т. е. вернуться в точку а,  нужно либо уменьшить ра­бочийток до величины Ik< Io.п

/>

Рис 9. Типовая схема включения тринистора (а) и ее рабочийцикл (б)

(путемпонижения пи­тающего напряжения), либо задать в базу отрица­тельный импульстока. Оба случая иллюстрируются пунктирными линиями на рис. 9, б.

Впервом случае рабочая точка скачком переходит из положения b1 вположение                                                                                  a2, а затем (после восстановления Э. Д. С. Ek) — в исходную точку а. Во вто­ром случае из точки b происходит скачок в точку a3, а затем (по окон­чаниизапирающего импульса) возвращение в точку а. Первый путь известен изтиратронной техники, второй специфичен для тринистора, так как тиратрон нельзяпогасить со стороны сетки. Правда, базо­вый ток «гашения» в тринистореоказывается сравнительно большим из-за малого коэффициента усиления привыключении.

Основная тенденция при разработке современныхтринисторов состоит в повышении рабочих токов и, напряжений с тем, чтобызаменить соответствующие газоразрядные приборы (газотроны и тиратроны). Внастоящее время рабочие токи тринисторов лежат в пределах 1 000— 2 000 а,а рабочие напряжения — в пределах 2—3 кв. При прочих равных условияхдинисторы и тринисторы значительно превосходят газоразрядные приборы покоэффициенту полезного действия, а также по габаритам, весам и сроку службы.

Мощные тринисторы используются в качестве контакторов,ком­мутаторов тока, а также в преобразователях постоянного напряжения,инверторах и выпрямительных схемах с регулируемым выходным напряжением.

Времена переключения у тринисторов значительно меньше,чем у тиратронов. Даже у мощных приборов (с токами в десятки ампер и больше)время прямого переключения составляет около 1 мксек,а время обратногопереключения не превышает 10—20-мксек. Следует заметить, что наряду сконечной длительностью фронтов напряжения и тока имеют место задержки фронтовпо отношению к моменту подачи управляющего импульса.

   Наряду с мощными тринисторами разрабатываются и маломощные высокочастотныеварианты. В таких приборах время прямого пере­ключения может составлятьдесятки, а время обратного переключе­ния — сотни наносекунд. Столь высокоебыстродействие обеспечи­вается малой толщиной слоев и наличием электрическогополя в тол­стой базе. Маломощные быстродействующие тринисторы исполь­зуются вразличных спусковых и релаксационных схемах.