1. Диод (рис. 1.1)

Неуправляемый полупроводниковый вентиль представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, которой зависит от полярности приложенного к нему напряжения. Структура вентиля и его графическое изображение приведены на рисунке 1.1,а. Если на анод вентиля подать положительный потенциал, а на катод – отрицательный, то p-n- переход будет открыт для прохождения прямого тока I_пр. При обратной полярности приложенного напряжения p-n- переход будет закрыт, а через вентиль пройдет только небольшой обратный ток I_обр.. На рисунке 1.1, б приведена статическая вольт-амперная характеристика вентиля, представляющая собой зависимость между током, протекающим через вентиль, и прямым падением напряжения U_пр. или обратным падением напряжения U_обр.. При предельных значениях обратного напряжения обратный ток резко увеличивается. Наступает обратимый или необратимый (для большинства приборов) пробой p-n- перехода, приводящий к выходу вентиля из строя. Значение обратного напряжения, выше которого наступает пробой, называется пробивным напряжением U_п.

Рисунок 1.1. Структура вентиля и его графическое изображение (а), вольт-амперная характеристика вентиля (б).

2. Стабилитрон (рис. 1.3)

Стабилитроном называется диод, обладающий способностью длительно работать в режиме электрического пробоя p-n – перехода.

Работа стабилитрона характеризуется тем, что до определенного значения обратного напряжения ток через p-n – переход близок к нулю (рисунок 1.3).При обратном напряжении, превышающем пробивное U_п , ток I_обр лавинообразно нарастает, ограничиваясь только величиной сопротивления, включенного последовательно с прибором. В зоне лавинного пробоя на участке АВ вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне меняется весьма незначительно, если даже ток через стабилитрон не постоянен. Это напряжение называется напряжением стабилизации U_ст, а соответствующий обратный ток – током стабилизации I_ст. границы рабочего участка АВ с одной стороны определяются минимальным током стабилизации I_ст.мин, при котором возникает устойчивый пробой, а с другой – максимальным током стабилизации I_{ст.макс}, при котором температура стабилитрона не превышает допустимой. Этим токам соответствуют значения напряжения стабилизации U_ст.мин и U_{ст.макс}.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При прямом включении вольт-амперная характеристика стабилитрона аналогична характеристике обычного неуправляемого вентиля.

Существуют симметричные стабилитроны, имеющие трехслойную структуру p – n - p, которые позволяют получить эффект стабилизации напряжения при любой полярности.

3. Тиристор (рис. 1.2)

Управляемый вентиль, или тиристор, представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру с различными типами проводимости p-n- p-n (рисунок 1.2, а). Два крайних слоя p и n являются соответственно анодом А и катодом К тиристора. К внутреннему слою с проводимостью p присоединяется управляющий электрод (УЭ). Статическая вольт-амперная характеристика представлена на рисунке 1.2, б.

Обратная ветвь характеристики (участок I) не отличается от обратной ветви неуправляемого вентиля. Прямая ветвь имеет два участка: участок II – тиристор закрыт, III – тиристор открыт. При отсутствии положительного сигнала на управляющем электроде прямая ветвь (участок II) аналогична обратной, так как внутренний переход n-p-структуры является встречным по отношению к прямому напряжению. В этом случае через тиристор в прямом направлении проходит небольшой ток утечки I_ут. При отсутствии управляющего сигнала, т.е. при I_у = 0, тиристор может открыться, если прямое напряжение превысит напряжение переключения U_пер. Тиристор при этом не выходит из строя. Если на управляющий электрод подать положительное относительно катода напряжение, то, благодаря току управления I_у > 0, тиристор открывается при меньшем значении прямого напряжения, т.е. при U_пр < U_пер. При токе спрямления I_у = I_у.с напряжение переключения близко к нулю. Открытому состоянию тиристора соответствует прямая ветвь вольт-амперной характеристики неуправляемого вентиля.

Рисунок 1.2. Структура тиристора и его вольт-амперные характеристики:

структуры p-n- p-n а); вольт-амперная характеристика б);

двухоперационный тиристор в); симметричный тиристор г).

Закрытие открытого тиристора осуществляется при I_у = 0 либо уменьшением прямого тока до некоторого минимального значения, называемого током удержания I_уд , либо кратковременной подачей на тиристор обратного напряжения.

С ростом температуры величины U_пер и I_обр увеличиваются, а  U_пр уменьшается.

Рассмотренные тиристоры представляют собой неполностью управляемые вентили (однооперационные тиристоры, которые по управляющему воздействию могут быть только открыты). Помимо них существует также полностью управляемые (двухоперационные) вентили, которые могут быть открыты и закрыты с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод (смотри рисунок 1.2, в). Эти вентили имеют меньшую мощность, чем простые тиристоры, но возможности их значительно шире. Включение двухоперационного тиристора осуществляется так же, как и однооперационного, т.е. подачей положительного импульса на управляющий электрод. Выключение тока достигается подачей в цепь управления отрицательного импульса.

Каждому значению анодного тока отвечает минимально необходимый ток в цепи управления. При импульсном управлении минимально необходимая амплитуда зависит от длительности импульса: чем меньше длительность, тем больше амплитуда. Это связано с величиной заряда, который надо удалить из баз тиристора через управляющую цепь. Существует предельное значение анодного тока, при котором становится уже невозможным закрыть тиристор по управляющему электроду.

Симметричные тиристоры - симисторы представляют собой пятислойную структуру-n- p-n- p-n (смотри рисунок 1.2, г) с двумя силовыми электродами (СЭ и СЭУ) и одним управляющим электродом (УЭ). В симисторе совмещены как бы две типовые структуры: четырехслойная, как у обычного тиристора (левая половина структуры, смотри рисунок 1.2, г), которая проводит ток при отрицательной полярности электрода СЭУ, и пятислойная (правая половина структуры, смотри рисунок 1.2, г), которая работает при положительной полярности СЭУ. На управляющий электрод в обоих случаях подаются одинаковые импульсы, положительные по отношению к СЭУ. Вольт-амперные характеристики симисторов симметричны в прямом и обратном направлениях и соответствуют прямой ветви обычного тиристора.