Контрольные вопросы

1. Поясните устройство и принцип действия ПТ с управляющим p-n переходом в схеме с ОИ.

2. Приведите стоковые и стоко-затворные характеристики для ПТ с управляющим p-n переходом в схеме с ОИ.

3. Поясните устройство и принцип действия полевого МДП-транзистора с встроенным каналом в схеме с ОИ.

4. Приведите стоковые и стоко-затворные характеристики полевого МДП-транзистора с встроенным каналом в схеме с ОИ.

5. Поясните устройство и принцип действия полевого МДП-транзистора с индуцированным каналом в схеме с ОИ.

6. Приведите стоковые и стоко-затворные характеристики полевого МДП-транзистора с индуцированным каналом в схеме с ОИ.

7. Перечислите статические параметры полевых транзисторов.

8. Поясните физический смысл статических параметров ПТ и приведите соотношения для их определения.

9. Приведите методику определения статических характеристик по стоковым характеристикам ПТ.

Задачи и упражнения

10. По семейству выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора КП103И (рис. 6.9):

• Определить рабочую область, если наибольшая мощность, рассеиваемая стоком, Р_{С max} = 120 мВт;

• Построить стоко - затворную характеристику I_C = f (U_ЗИ) для напряжения U_СИ = 10 В;

• Определить сопротивление постоянному току R₀ при напряжении U_СИ = 10 В и напряжениях U_ЗИ = 0,5; 1,0; 1,5 В.

11.По стоко – затворной характеристике полевого транзистора КП103И (рис.6.10) определить крутизну характеристики S при U_ЗИ =1,5; 1,0; 0, 5 В. Построить зависимость S = f (U_ЗИ).

Тема 7. Тиристоры

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого thyra (тира) – «дверь», «вход».

Динистор

Динистор (триодный тиристор) имеет три p-n перехода, причем два из них (п₁ и п₃) смещены в прямом направлении, а средний (п₂) – в обратном. Структура динистора типа n-p-n-p приведена на рис.7.1. Крайняя область р называется анодом, крайняя область n – катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов типа n-p-n и p-n-p (рис.7.2).

Из рисунка видно, что переходы п₁ и п₃ являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход п₂ работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода.

Область базы Б₁ транзистора Т₁ одновременно является коллекторной областью К₂ транзистора Т₂, а область базы Б₂ транзистора Т₂ одновременно служит коллекторной областью К₁ транзистора Т₁.

Соответственно, коллекторный ток первого транзистора i_К1 является током базы второго транзистора i_б2, а ток коллектора второго транзистора i_К2 представляет собой ток базы i_б1 первого.

Если бы был только один переход п₂, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный перемещением через переход обратных носителей, которых мало. Но, как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, являющийся при этом обратным током коллекторного перехода, если в базу транзистора со стороны эимиттерного перехода инжектируются в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу, тем больше становится ток коллектора. Напряжение на коллекторном переходе становится, наоборот, меньше, так как при большом токе уменьшается сопротивление коллекторного перехода и возрастает падение напряжения на нагрузке в цепи коллектора. Так, например, в схемах переключения транзистор переводится в открытое состояние (в режим насыщения) путем подачи на его эмиттерный переход соответствующего прямого напряжения. При этом ток коллектора достигает максимального значения, а напряжение между коллектором и базой снижается до десятых доле вольта.

Аналогичные процессы протекают и в тиристоре. Через прямо смещенные переходы п₁ и п₃, в области, примыкающие к переходу п₂, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода п₂.

Вольт – амперная характеристика, приведенная на рис. 7.3, показывает, что при повышении приложенного к нему напряжения, ток сначала невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики.

Вэтом режиме тиристор можно считать закрытым («запертым»). На сопротивление коллекторного перехода п₂ влияют два взаимно противоположных процесса.

С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его

сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы – переход все более обедняется основными носителями.

С другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах п₁ и п₃ усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу п₂, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс, и сопротивление растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается влияние второго процесса.

Около точки А при некотором напряжении (десятки – сотни вольт), называемом напряжением включения U_ВКЛ, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода п₂ начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом. Ток резко, скачком, возрастает (участок АС на характеристике), так как увеличение напряжения на переходах п₁ и п₃ уменьшает сопротивление п₂ и напряжение на нем, за счет чего еще более возрастают напряжения на п₁ и п₃, а это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления п₂ и т.д. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора – большой ток при малом напряжении (участок СВ). Ток в этом режиме, когда прибор открыт, определяется главным образом сопротивлением нагрузки R_Н, включенной последовательно с прибором. За счет возникшего большого тока почти все напряжение источника питания падает на нагрузке R_Н.

В открытом состоянии вследствие накопления больших зарядов около перехода п₂напряжение на нем прямое, что, как известно, характерно для коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четырех также небольших напряжений на n- и р-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт, и, следовательно, тиристор имеет малое сопротивление.

Процесс скачкообразного переключения тиристора достаточно просто объясняется аналитически. Из эквивалентной схемы видно, что ток тиристора i является током первого эмиттера i_Э1 или током второго эмиттера i_Э2. Иначе ток i можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов i_К1 и i_К2 , равных соответственно ₁i_Э1 и ₂ i_Э2, где ₁ и ₂ – коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов Т₁ и Т₂. Кроме того, в состав тока i входит еще начальный ток коллекторного перехода i_К0. Таким образом, i = ₁i_Э1 + ₂ i_Э2 + i_К0 или, учитывая, что i_Э1 = i_Э2 = i:

i = ₁i + ₂ i + i_К0.

Решая это уравнение относительно i, находим:

i =

i_К0 _

1 – (₁ + ₂) (7.1)

Анализ этого выражения показывает, что при малых токах значения ₁ и ₂ значительно меньше единицы и их сумма также меньше единицы. Тогда, в соответствии с (7.1), ток получается сравнительно небольшим. С увеличением тока значения ₁ и ₂ возрастают, и это приводит к возрастанию тока i. При некотором значении тока, являющемся током включения I_ВКЛ, сумма ₁ + ₂ становится равной единице, и ток i возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки. Именно такое стремление тока i неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, т.е. на отпирание тиристора.

Динистор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока I_МАХ (точка С на характеристике), при котором на приборе будет небольшое напряжение U_ОТКР. Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током I_УД (точка С), ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т.е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики ОА. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов. Поскольку переходы п₁ и п₂ будут под обратным напряжением.

Характерными параметрами диодных тиристоров являются также время включения t_ВКЛ (не более единиц микросекунд), время выключения t_ВЫКЛ (связано с временем рекомбинации носителей, составляет десятки микросекунд), общая емкость С_ОБЩ, максимальное значение импульсного прямого тока I_{ИМП МАХ} и обратного напряжения U_{ОБР МАХ}.

Тринистор

Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом смещении, можно регулировать значение напряжения включенияU_ВКЛ.

Чем больше ток через такой управляющий переход I_У, тем ниже напряжение U_ВКЛ. Эти основные свойства тринистора наглядно показывают ВАХ, изображенные на рис.7.4, для различных токов управляющего электрода I_У. Чем больше этот ток, тем больше инжекция носителей от соответствующего эмиттера к среднему коллекторному переходу и тем меньше требуется напряжение на тиристоре для того, чтобы начался процесс отпирания прибора.

Наиболее высокое напряжение U_ВКЛ получается при отсутствии тока управляющего электрода, когда триодный тиристор превращается в диодный. И, наоборот, при значительном токе I_У характеристика динистора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.

Характеризующие параметры тринисторов не отличаются от динисторов, добавляются лишь те, которые характеризуют управляющую цепь.

Симисторы

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи и для запирания необходимо уменьшить ток в нем до значения, нижеI_У. Однако разработаны и применяются так называемые запираемые триодные тиристоры, которые запираются уже при подаче через управляющий электрод короткого импульса обратного напряжения на эмиттерный переход.

Нашли применение также симметричные тринисторы, или симисторы, имеющие структуры типов n-p-n-p-n или p-n-p-n-p, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления.

На рис.7.6. приведена структура симистора, из которого видно, что при полярности напряжения, показанной знаками “+” и “-“ (без скобок), работает левая половина прибора. При обратной полярности ( знаки – в скобках), ток идет в обратном направлении через правую половину прибора. Роль симметричного тринистора могут выполнять два диодных тиристора, включенные параллельно (рис.7.7). Управляемые симметричные тринисторы имеют выводы от соответствующих базовых областей.

Условно-графические изображения различных тиристоров приведены на рис.7.8.

Условно-графические изображения симисторов: а – диодный тиристор; б, в – не запираемые триодные тиристоры с выводом от р-области и от n-области; г, д – запираемые триодные тиристоры с выводом от р-области и n-области; е – симметричный тиристор.

Система обозначений (маркировок) симисторов приведена в Приложении 2.