книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

симальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения бы­ стродействия полевой транзистор превосходит биполярный, тачс как работает на основных носителях заряда при отсутствии их нако­ пления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством по­ левого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения в цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 10s Ом.

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна 5 уменьшается с увеличе­ нием температуры. Кроме того, с повышением температуры увели­ чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток /3 через переход и, следовательно, уменьшается Л?вх. У полевых кремниевых транзисторов с р-п-переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. іПіри увеличении темпера­ туры ток удваивается на каждые 10°С (рис. 2.89).

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока прак­ тически постоянен при различных температурах (рис. 2.90). Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина р-п-перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Эти два противо­ положных процесса при определенном выборе рабочей точки мо­ гут взаимно компенсироваться. Ориентировочное положение термо­ стабильной точки можно найти по формуле: U3i= U3 отс, — 0,65 В.

220

При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора. С изменением тока затвора в зависимости от температуры будет из­ меняться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Полевые транзисторы с р-а-переходом целесообразно приме­ нять во входных устройствах усилителей при работе от высокоом­ ного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной ^аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзи- істор). Этот транзистор имеет структуру металл—диэлектрик—по­ лупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом

p -области полупроводника электронами, превращает поверхност­ ный слой полупроводника p-типа в проводящий канал п-типа, со­ единяющий исходные п+ области истока и стока. Поэтому умень­ шается сопротивление материала между истоком и стоком, что ве­ дет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электро­ статической индукции между истоком и стоком происходит инвер­ сия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника р- типа превращается в полупроводник п-типа. До инверсии сопро-

221

.тивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура р+-р-п+. После инверсии образуется канал «-проводимости и струк­ тура становится «+-«-«+. Меняя напряжение на затворе, можно уп­ равлять током стока. Если взять подложку п-типа, то можно по­ строить МДП-транзистор с индуцированным /о-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подоб­ ную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии со­ здают канал с проводимостью «-типа при проводимости подложки /0-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость р- типа, а подложка — проводимость «-типа. В отсутствие напряже­ ния на затворе (ірцс. 2.916) ток между .истоком и стоком опреде­ ляется сопротивлением «-канала. При отрицательном напряжении па затворе концентрация носителей заряда в канале уменьшается и в нем появляется обедненный слой (рис. 2.91в). Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При по­ ложительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, по­ тому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцирован­ ным каналом p-типа приведены на рис. 2.92а, а с встроенным ка-

Рис. 2 92. Характеристики поле­ вого МДП-трапзнстора:

а), б) выходные; в) характери­ стики прямой передачи

индуцированным (кривая 2) каналами. На рис. 2.93 приведена ха­ рактеристика прямой передачи МДП транзистора в разных мас­ штабах тока стока. Левая шкала — линейная, а правая пропорцио­ нальна у /ст. Из рисунка видна квадратичность передаточной ха-

222

рактеристики. Теоретически характеристика прямой передачи опи­ сывается следующим выражением:

для транзистора с индуцированным каналом принято называть по­

Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость — десятые доли пикофарады.

В настоящее время полевые транзисторы следует рассматривать как промышленные приборы. Теоретические и экспериментальные работы в области полевых транзисторов представляют собой весь­ ма перспективное направление в исследовании полупроводниковых приборов. По всей вероятности наиболее важное значение имеют работы по исследованию транзисторов с изолированным затвором. Однако не следует считать, что полевые транзисторы должны в бу­ дущем заменить собой транзисторы с р-п-переходами. Наиболее ве­ роятно, что они будут применяться совместно, выполняя различные - функции.

2.7. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Тиристоры

Тиристоры относятся к приборам, характеристики ко­ торых обладают участком с дифференциальным отрицательным со­ противлением. Они имеют структуру, р-.п-р-п (или п-р-п-р) и нашли

223

широкое применение в качестве переключательных приборов. Ти­ ристоры выпускаются на широкий диапазон токов (от десятков миллиампер до сотен ампер) и напряжений (от десятков вольт до тысяч вольт). Тиристоры, рассчитанные на рабочее напряжение от десятков до сотен вольт и на токи от десятков миллиампер до не­ скольких ампер, относят к группе маломощных. Тиристоры же, из­ готовляемые на напряжение до 1000 В и более и на токи до 15,0-г- 200 А при воздушном охлаждении и до 350 А при водяном охлаж­ дении, относят к группе мощных приборов. Маломощные тиристо­ ры применяют, главным образом, в релейных системах и коммута­ ционных устройствах, а приборы, коммутирующие большую мощ­ ность, — в преобразовательных.

Тиристоры классифицируют по числу электродов и способу уп­ равления. Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным ти­ ристором или динистором. Включение и выключение его осуществ­ ляется лишь путем изменения величины и полярности напряжения питания. Поэтому его называют еще неуправляемым тиристором. Тиристор, имеющий три вывода, называется триодным тиристором или тринистором. Он содержит третий управляющий электрод и мо­ жет переводиться из закрытого состояния в открытое также с по­ мощью тока управления. Такие тиристоры являются управляе­ мыми.

Динистор изготавливают из кремния, в котором резко выраже­ на термическая генерация и лавинное размножение носителей тока

в р-л-переходе. В монокристалле кремния создаются четыре слоя

сперемежающимся типом проводимости р-п-р-п, разделенные тремя переходами эмиттерным ЭПь коллекторным КП2 и эмиттерным ЭПз (рис. 2.94). Крайние слои называются эмиттерными Эі и

Рис. 2.94. Структурная схема диодного тиристора (динистора) и его вольтамперная характеристика. Концентрация носителей заряда:

Р\ —ІО17 1/см3; л, = 1015 Л/см3; ра=1017 1/см3; Ла^Ш19 1/см3

Эг, а средние— базовыми Бі и Б2. На рисунке указана толщина слоев в микронах для маломощных тиристоров. Слои создаются путем диффузии в исходный монокристалл л-проводимости внача­ ле акцепторной примеси (алюминий, 'бор), образующей слои рі и рг а затем донорной (фосфор), образующей наружный слой п2. Слой nt образован исходным монокристаллом.

224

следовательно, к увеличению ко­ эффициента а. Таким образом, на участке / характеристики при ма­ лых U ток через динистор в ос­ новном определяется начальным коллекторным током /к0.

При увеличении, напряжения U до величины, близкой к напря­ жению включения £/вкл в коллек­ торном переходе КПг, начинается процесс умножения числа носите­ лей в результате ударной иониза­ ции, что увеличивает ток основных носителей, поступающих в обе

базы (электронный ток в базу Б2, дырочный — в базу Бі). Скорость накопления носителей превышает скорость их удаления, и в базах образуется пространственный заряд (отрицательный в п-базе Б і и положительный в р-базе Б2). Это снижает высоту энергетического барьера в обоих эмиттерных переходах ЭПі и ЭП3, в результате чего эмиттерные токи через переходы ЭПі и ЭП3 увеличиваются. Эмиттерные токи, проходя через коллекторный переход КП2, уси­ ливают в нем ударную ионизацию, а следовательно, и ток через ди­ нистор тиристора. Отсюда вытекает, что характерной особенностью р-я-р-/г-структуры является обратная связь по току.

На участке II характеристики дифференциальное сопротивление вначале падает до долей ома и далее до нуля: dU/dI = 0. Вследст­ вие умножения число носителей заряда нарастает лавинообразно, и характеристика при U > U m{л перемещается на участок лавинно­ го пробоя в переходе КПг, при котором возрастание тока через ди­ нистор до величины / ВцЛ ограничивается в основном сопротивлени­ ем внешней цепи. Напряжение на переходах перераспределяется: на эмиттерных переходах ЭПі и ЭП3 несколько повышается, а на коллекторном КП2 уменьшается практически до нуля. В результа­ те эмиттерные токи вновь возрастают, а сумма коэффициентов •(<хі+ а2) увеличивается до единицы. Характеристика переходит на гучасток III, где дифференциальное сопротивление динистора сталовится вновь большим, но отрицательным: dU/dI<Z.0. При этом прекращается лавинное умножение числа носителей в коллектор­ ном переходе, так как энергетический барьер в коллекторном пе­

реходе КПг исчезает.

Вследствие продолжающегося накопления носителей в обеих базовых областях на коллекторном переходе КП2 устанавливается прямое смещение, и все три перехода оказываются под прямым смещением. Рассмотренный выше процесс протекает почти мгно­ венно, и динистор быстро переключается из запертого-состояния (участок I) в открытое (участок IV). Его дифференциальное сопро­ тивление вновь становится низким (не превышает единиц Ом) и по­ ложительным. На участке IV зависимость тока / от напряжения U

такая же, как на прямой ветви обычного диода. При этом на динисторе устанавливается напряжение менее 2В; остальное напряже­ ние источника питания падает на сопротивление во внешней цепи.

внешней цепи уменьшить его ток до значения / < / выкл или времен­ но снять напряжение. При этом процесс развивается в обратном направлении и сопротивление динистора вновь становится высо­ ким (участок 1).

Итак, появление обратной связи в р-/г-/>/г-структуре обязано на-

•лнчию внутренней обратной связи по току, действие которой начи­ нается при нарушении нейтральности одной из баз. Нарастающее нарушение нейтральности баз становится возможным при условии, что коэффициенты передачи тока аі и аг увеличиваются с ростом тока, а в коллекторном переходе умножается число носителей из-за ударной ионизации, в результате чего возрастание тока сопровож­ дается одновременным уменьшением напряжения на коллекторном переходе и, следовательно, на динисторе.

При изменении полярности напряжения, приложенного к динистору, эмиттерные переходы Э П і и Э П 3 Окажутся под обратным на­ пряжением, и ток в основном будет определяться обратным током через тот переход, обратное сопротивление которого больше. Этот режим соответствует участку V на характеристике. Пробивное на­ пряжение Дпроб может быть больше или меньше UBкл.

Нагрузку включают последовательно с динистором. Если динистор заперт, его сопротивление будет больше сопротивления на­ грузки и на последней окажется ничтожное напряжение. Если же динистор открыт, его сопротивление мало и на нагрузке будет вы­ деляться почти полное напряжение источника питания.

Статическими параметрами динистора являются:

—напряжение включения UBкл, соответствующее точке переги­ ба вольтамперной характеристики. При подаче на динистор напря­

жения и > и тя он открывается;

— ток включения /ВКЛ, протекающий при напряжении и вкл\

— сопротивление запертого динистора по постоянному и пере­ менному токам. Первое определяется так называемым током утеч­ ки /у (порядка десятков микроампер) при U= 0,5UBK11, второе очень велико (десятки и сотни мегомов);

— ток выключения / ВЫкл — ток в точке перегиба характеристи­ ки от участка отрицательного сопротивления к участку низкого со­ противления. При уменьшении тока / до величины, меньшей /выкл. 'динистор запирается;

— остаточное напряжение U0ст, определяемое при протеканий через динистор максимально допустимого тока /макс; обычно U0от= = 0,5+-1 В.

Характер реактивности динистора зависит от положения рабо­ чей точки на вольтамперной характеристике. На участках / и V

полное сопротивление носит емкостный характер, и величина ем­ кости зависит от приложенного напряжения. На участках II и III, где действует обратная связь по току, реактивность принимает ин­ дуктивный характер.

Важными параметрами динистора, характеризующими его бы­ стродействие, являются также время включения и выключения. Время включения тВкл — время, в течение которого прибор после подачи на него отпирающего напряжения U > U m}l переключается в открытое состояние; время выключения т ВЫкл — время, в течение которого прибор после уменьшения тока до значения / < / В пеы ­к л реключается из открытого состояния в запертое. У маломощных динисторов Тикл порядка 0,1—0,5 мкс. Оно уменьшается с увеличе­ нием амплитуды переключающего импульса. Величина т ВЬшл со­ ставляет 5^-10 мкс.

Динистор в основном применяется в качестве мощного переклю­ чателя; этим он выгодно отличается от туннельного диода, являю­ щегося маломощным прибором. Недостатком динистора является

Тринистор. Указанные выше недостатки динистора устраняются в тринисторе. Схематически тринистор изображен на рис. 2.97. В

ветвью вольтамперной характеристики диода, состоящего из

вие отпирания тринистора будет выполняться при меньшем значении напряжения ІІЪкл, чем в динисторе. Зависимость UnKл от і'б приведена на рис. 2.98а. На рис. 2.986 дано семейство выходных вольтамперных характеристик тринистора при различных значени­ ях іб- В открытом состоянии тринистор подобен тиратрону, так как он позволяет управлять большими мощностями в нагрузке при по­ мощи небольшой управляющей мощности.

Для запирания тринистора нужно или снизить протекающий через него ток до значения, меньшего Iвынл/ или подать на управ-

228

ляющий электрод импульс тока обратного направления. Таким об­ разом, тринистор имеет преимущество перед динистором — он мо­ жет быть заперт при помощи изменения напряжения тринистора и тока базы г'б На рис. 2.98в приводится зависимость тока выключе-

Рис. 2.98. К пояснению работы тринистора:

а ) зависимость напряжения включения от тока управляющего электрода; •6) вольтамперная характеристика; в) зависимость тока выключения от тока уп­ равляющего электрода

ния / выил от управляющего тока г'б Значения управляющего тока

.і'б и напряжения на управляющем электроде UQ зависят от темпе­ ратуры; совокупность этих значений, при которых включается триннстор, в заданном диапазоне температур называют характеристи­ кой включения.

Параметрами тринистора, определяющими его быстродействие, являются время включения т В К ли выключения т В Ы к Времял - вклю­ чения уменьшается с увеличением амплитуды управляющего им­ пульса и с ростом напряжения источника питания выходной цепи. Для тринисторов малой мощности (с максимальным средним то­ ком 50-Р 100 мА)' твкл составляет десятые доли микросекунды, а для тринисторов большой мощности (при токе 10-f-'12 А) — несколько микросекунд. Время выключения т В ы ннесколько больше; оно уве­ личивается с увеличением температуры и тока в выходной цепи.

Возможно последовательное и параллельное включение трини­ сторов — они допускают перегрузки по току. Обычно тринисторы выполняют из кремниевой пластины со структурой р-п-р, получен­ ной методом диффузии, а для образования «-области в одну из крайних p-областей вплавляют золото и сурьму; в среднюю р-об­ ласть вплавляют алюминиевый управляющий электрод, создающий невыпрямляющий контакт.

229