2072

Рис. 7.2. Условные графические и позиционные обозначения тиристоров: а – диодный тиристор (динистор); б и в – незапираемые тиристоры с выводом от р- и п-областей;

ги д – запираемые тиристоры с выводами из р- и п-областей;

е– симметричный тиристор (симистор)

Рис. 7.3. Схема включения диодного тиристора (а, б) и распределение напряжений в нем при обратном (в) и прямом (г) внешнем напряжении

91

Рассмотрение физических процессов легче проводить, представив структуру тиристора VS1 в виде двух кремниевых транзисторов с разными типами проводимости, у каждого из которых база соединена с коллектором другого (рис. 7.4).

К

К

a

б

Рис. 7.4. Транзисторный аналог тиристора

Переход ПП является эмиттерным переходом транзистора VT1, а П3

– эмиттерным переходом транзистора VT2. Переход П2 является общим для обоих транзисторов. На эмиттерных переходах действует прямое, а на коллекторных – обратное напряжение, что соответствует усилительному режиму работы транзисторов.

ВАХ тиристора имеет три участка (рис. 7.5): 1 – участок слабого нарастания тока при увеличении прямого напряжения, где тиристор закрыт; 2 – участок отрицательного сопротивления (на этом участке происходит неуправляемый процесс включения тиристора, он протекает очень быстро, лавинно); 3 – участок, соответствующий открытому состоянию тиристора, аналогичный прямой ветви ВАХ обычного диода.

Рассмотрим процессы, возникающие в тиристоре при работе на участке 1 его ВАХ. При отсутствии управляющего электрода ток через тиристор ia равен току, протекающему последовательно через все четыре слоя его структуры.

Согласно схеме замещения тиристора (рис. 7.4, а), ток коллектора VT1 iк1 1iэ1, а ток коллектора VT2 iк2 2iэ2 ( 1, 2 – коэффициенты передачи по току транзисторов VT1, VT2).

Очевидно, что ток тиристора ia равен току закрытого перехода П2: ia in2. Кроме токов 1iэ1 и 2iэ2 через П2 протекает неуправляемый об-

92

ния области перехода П2, и возрастает ток ia . Как только сумма ( 1 2) станет приближаться к единице, тиристор перейдет из закрытого в открытое состояние (точка В на ВАХ), и ток в цепи будет ограничиваться только сопротивлением нагрузки Rн . Процесс открывания тиристора является неуправляемым. Напряжение на тиристоре в точке А, при котором происходит лавинообразное включение тиристора, называется напряжением переключения Uпрк , а значение тока тиристора в этой точке называется током

переключения Iпрк .

В открытом состоянии все три перехода тиристора находятся под прямым напряжением, так как потенциальный барьер П2 практически полностью исчезает за счет того, что в области p2 – высокая концентрация дырок. Они создают поле, направленное навстречу полю потенциального барьера П2.

С уменьшением напряжения Uак уменьшается ток открытого тиристора. При некотором его значении, называемом током удержания IУД ,

a1 a2 станет меньше единицы, тиристор переходит в закрытое состояние, так как восстанавливается потенциальный барьер перехода П2 из-за уменьшения концентрации дырок в области p2 и электронов в области n1. В германиевых транзисторах трудно обеспечить, чтобы a1 a2 была меньше единицы. Отсюда транзисторный аналог тиристора (см. рис. 7.4), выполненный на германиевых транзисторах, почти всегда находится в открытом состоянии. По этой причине все серийно выпускаемые тиристоры только кремниевые.

93

Процесс открывания тиристора управляющим током

В рассмотренном выше случае переход тиристора в открытое состояние был обусловлен увеличением напряжения Uак до величины напряжения переключения Uпрк . Такой способ включения используют в основном

только в динисторах.

С помощью управляющего электрода можно уменьшить напряжение переключения за счет пропускания импульсного или постоянного тока через один из переходов n2 p2 или n1 p1 в прямом направлении.

Если вывод сделан от слоя p2, то источник управляющего сигнала включается между управляющим электродом и катодом (рис. 7.1, б); если вывод сделан от слоя n1, то источник управляющего сигнала включается между управляющим электродом и анодом плюсом на анод.

Рассмотрим влияние тока управления на работу тиристора при прямом напряжении (рис. 7.6, а).

Iпрк A

0

Uпрк Uак

в

Рис. 7.6. Влияние тока управления на работу тиристора: а – схема управления тиристором от источника постоянного тока; б – схема управления тиристором от импульсного источника; в – семейство ВАХ тиристора при различных значениях тока управления

94

При протекании тока в цепи управляющего электрода повышается концентрация электронов в области p2, возрастает их инжекция в области n1, снижается потенциальный барьер закрытого перехода П2, что приво-

дит к открыванию тиристора и появлению тока в нагрузке при Uак Uпрк .

Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении Uак открывается тиристор. Это отражает семейство ВАХ тиристора при различных значениях тока управления (рис. 7.6, в). При некотором значении тока iу ,

называемом током спрямления iу спр , характеристика спрямляется и имеет

вид, подобный виду обычного диода.

После включения тиристора цепь управления может быть отключена, а тиристор останется в открытом состоянии. Благодаря этому управление тиристором обычно осуществляется кратковременными импульсами. Изменяя момент появления этих импульсов управления, можно управлять выпрямленным или переменным током в нагрузке. Один из вариантов схемы управления переменным током в нагрузке с использованием тиристора приведен на рис. 7.6, б.

Выключение тиристора происходит либо при уменьшении напряжения Uак или при изменении его полярности, либо при снижении тока ia ниже тока удержания. Для выключения тиристоров в преобразовательной технике применяют специальные устройства искусственной коммутации, схемы которых здесь не рассматриваются.

7.2. Симметричный тиристор (симистор)

Симистором называют тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как при прямом, так и при обратном напряжении на его электродах Uэ. Он имеет симметричную относительно начала координат ВАХ (рис. 7.7). Симисторы подразделяют на диодные и триодные, их условные графические и позиционные обозначения в схемах приведены на рис 7.8, в и г.

Диодный симистор (диак) включается как в прямом, так и в обратном направлении в момент, когда напряжение между анодом и катодом достигает величины, равной напряжению переключения. Триодный симистор (триак) включается как при прямом, так и при обратном напряжении Uэ в момент, когда на управляющий электрод поступает импульс управления тока iy .

Структура симистора отличается от структуры тиристора большим числом р–п-переходов (рис. 7.8, а). Эту структуру можно рассматривать как два обычных тиристора, включенных встречно параллельно (рис. 7.8, б). Первый из них образован областями p1 n2 p2 n3, разде-

95

ленными переходами П2, П3, П4. Для него прямым будет положительное напряжение на аноде А, при котором переходы П2, П4 находятся под прямым, а переход П3 – под обратным напряжениями.

I

iу2>iу1>0

iу спр

iу2 iу1 iу=0

UЭ

Рис. 7.7. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора (симистора)

Предположим, что на общем электроде ОЭ в рассматриваемый момент времени положительное относительно электрода Э напряжение, а на управляющий электрод УЭ подается импульс напряжения, приложенный к управляющему электроду плюсом относительно ОЭ. В этом случае дополнительный переход П5 оказывается в открытом состоянии, электроны из области n4 инжектируются в область p1, далее диффундируют к переходу П2 и перебрасываются его полем в область n2 за счет экстракции. Накопление электронов в области n2 приводит к увеличению прямого напряжения на переходе П2, в результате усиливается инжекция дырок из области p1 в область n2.

96

7.3. Основные параметры тиристоров

Наиболее важными параметрами тиристоров по силовой (анодной) цепи являются:

–ток и напряжение переключения Iпрк , Uпрк ;

–ток, напряжение и рассеиваемая мощность в открытом состоянии;

–ток удержания;

–обратный ток;

–динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии

Rдин Uак Ia ;

–максимально допустимое значение тока и мощности в открытом состоянии;

–максимально допустимое обратное напряжение.

К параметрам, характеризующим цепь управления тиристора, относят-

ся:

ток отпирания iy отп – наименьший ток управления, необходимый для включения тиристора в заданном режиме анодной цепи;

напряжение отпирания Uy отп , соответствующее iy отп.

Динамические параметры:

время включения тиристора tвкл, составляющее обычно 3 – 30 мкс;

время выключения tвыкл – интервал времени, в течение которого вос-

станавливается потенциальный барьер закрытого перехода в связи с уменьшением концентрации подвижных носителей заряда в примыкающих к нему областях. Процесс выключения обусловлен рекомбинацией носителей при уменьшении напряжения Uак до нуля. Время выключения зависит от величины протекающего через открытый тиристор тока и обычно составляет от 5 до 250 мкс.

8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ИФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

8.1.Полупроводниковые терморезисторы (термисторы)

Кчислу ПП приборов относятся также полупроводниковые терморезисторы или термисторы. Их изготовляют из окислов металлов, они имеют сильную зависимость сопротивления от температуры. Чаще всего сопротивление терморезистора падает с ростом температуры (рис. 8.1).

98

а

Рис. 8.1. Зависимость сопротивления термистора от температуры (а) и условное обозначение терморезистора (б)

Величину, равную относительному приращению сопротивления при нагревании резистора на один градус, называют температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Обычно ТКС 0,8 6,0 10 2 К 1. Конструктивно терморезисторы выполняют в виде цилиндров, таблеток, бусинок с двумя выводами.

Терморезисторы применяют в основном как датчики температуры, а также используют в различных устройствах автоматики и электронной техники с целью компенсации влияния температуры на их работу. Термисторы используют в диапазоне температур от –50 до +300 С.

8.2. Термоэлектрические полупроводниковые преобразователи

Термоэлектрические ПП преобразователи (ТПП) предназначены для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Для получения термоЭДС применяют так называемые полупроводниковые термопары (рис. 8.2), в которых нагревается контакт двух полупроводников n- и p-типа. Возникающая на холодном конце ЭДС тем больше, чем выше разность температур.

Термопары могут быть также изготовлены путем спайки двух различных металлических проводников (см. рис. 8.2), например железа, меди и никеля с константаном, хрома с алюминием. Однако ТПП дает большее значение термоЭДС по сравнению с металлической термопарой.

Принцип действия ТПП состоит в следующем. Если один конец ПП пластинки, например n-типа, нагрет сильнее другого, то на горячем конце концентрация и энергия подвижных носителей будет выше, чем на холод-

99

ном конце. Диффузия электронов в сторону холодного конца продолжается до тех пор, пока электрическое поле, возникающее между холодным и горячим концом, не остановит перемещение электронов. Эта разность потенциалов и определяет термоЭДС ПП пластинки. При последовательном соединении пластинок n- и p-типов термоЭДС между холодными концами будет равна сумме термоЭДС отдельных ПП пластинок.

Рис. 8.2. Термоэлектрические преобразователи: а – полупроводниковый термопреобразователь; б – термопара из металлических проводников

Вначале ТПП использовались в основном в измерительной технике.

Вдальнейшем из них стали строить термоэлектрогенераторы, соединяя большое число ТПП последовательно друг с другом. Во время Великой Отечественной войны их использовали для питания партизанских радиостанций: батареи ТПП изготовляли в виде колец с развитой поверхностью, удобных для размещения на стекле керосиновых ламп. Мощность таких батарей может быть от единиц до сотен ватт и более.

Величина термоЭДС для элемента из двух ПП пластинок при разности

температур в 300 С достигает 0,3 В. Для металлических термопар термоЭДС во много раз меньше.

Используя эффект Пелтье, на основе ТПП можно построить холодильник. Для этого необходимо пропускать через преобразователь в определенном направлении электрический ток.

8.3. Полупроводниковые фотоэлектронные приборы

Общие сведения

Работа ПП преобразователей энергии светового излучения в электроэнергию (фоторезисторов, фотогальванических элементов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров) основана на явлении внутреннего фотоэффекта. Он состоит в том, что под действием света в полупроводниках происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и ды-

100