2.4. Полевой транзистор

Принцип действия полевого транзистора (ПТ) основан на использовании носителей заряда одного наименования (электронов или дырок), движение которых осуществляется через канал с изменяющейся посредством поперечного электрического поля проводимостью. Различают полевые транзисторы с управляемым p-nпереходом и с изолированным затвором. Структура полевого транзистора с управляемымp-nпереходом и каналомn-типа, а также условное графическое обозначение приведены на рис. 2.11.

В приведенной конструкции канал протекания тока представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумяp-nпереходами. Электрод, от которого двигаются носители зарядов (в данном случае электроны), называетсяистоком (Source), а электрод, к которому они движутся –стоком (Drain). Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемыйзатвором (Gate). Перенос носителей заряда между истоком и стоком осуществляется под действием продольного электрического поля приU_СИ > 0. При этом через канал протекает ток стокаI_C. Управляющие свойства полевого транзистора объясняется тем, что при подаче на затвор напряженияU_ЗИ < 0 под действием возникающего поперечного электрического поля увеличивается ширинаp-nпереходов (в основном за счет более высокоомногоn-слоя). Это приводит к уменьшению сечения канала проводимости и уменьшению выходного токаI_C . ПриU_СИ = 0 сечение канала приблизительно одинаково по всей его длине. С ростом напряженияU_СИ увеличивается падение напряжения в канале при протекании тока и уменьшение его сечений в направлении от истока к стоку (p-nпереходы расширяются в направлении стока). Поскольку управление выходным током ПТ производится, как правило, напряжением входной цепиU_ЗИ, для них представляет интерес переходная или стоко-затворная характеристикаприU_СИ = const (рис. 2.12, а).

Стоковые (выходные) характеристики ПТ сp-nпереходом отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор- истокприU_ЗИ = const. Входные характеристики – зависимость тока затвора от напряжения затвор-истокв полевых транзисторах не имеют практического применения. Это связано с тем, что при управлении током стока на затвор подается относительно истока отрицательное напряжение (см. рис. 2.11,а). При этом обаp-n

перехода находятся в закрытом состоянии, и через них и цепь затвор-исток протекает обратный ток p-nперехода, составляющий доли микроампер. Это определяет высокое входное сопротивление полевого транзистора, что выгодно отличает его от биполярного транзистора. Можно считать, что полевой транзистор практически не потребляет мощность по цепи управления.

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика. Если в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO ₂ , то такой транзистор называют МОП – транзистором (структура металл – окисел – полупроводник). Если изоляция между металлическим затвором и полупроводником осуществляется с помощью тонкой диэлектрической пленки, то такой прибор называют МДП-транзистором (металл – диэлектрик – полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹² – 10¹⁴ Ом). Различают МОП и МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом проводимости (рис. 2.13, а и 2.13, б соответственно). ПТ данных типов имеют четвертый электрод, выводимый наружу, который носит название подложки (П).

ПТ со встроенным каналом работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В режиме обеднения для ПТ со встроенным каналом n-типа на затвор необходимо подать напряжениеU_ЗИ < 0. Вэтом случае поле затвора будет оказывать отталкивающее действие на электроны (носители заряда в канале), что приведет к уменьшению их концентрации в канале и снижению его проводимости, а, следовательно, и уменьшению тока стока. В режиме обогащения на затвор необходимо подать напряжениеU_ЗИ > 0. В этом случае поле затвора притягивает электроны в канал из глубины р-слоя. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает и ток стока увеличивается.

В полевых транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2.13, б – канал n-типа) канал проводимости специально не создается. Он образуется (индуцируется) вследствие притока электронов из р-слоя при приложении к затвору напряжения положительной полярности. В приповерхностной области при этом происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий каналn-типа, который соединяет области истока и стока. Проводимость канала тем больше, чем больше приложенное к затвору положительное напряжение.

Примерный вид стоко–затворной характеристики и стоковых (выходных) характеристик ПТ с индуцированным каналом n-типа в схеме с общим истоком приведены на рис. 2.14.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

- внутреннее сопротивление при; оно характеризует наклон выходной характеристики на участке насыщения;

- крутизна стоко–затворной характеристики при; отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. КрутизнуSнаходят по стоко–затворной характеристике транзистора.

При включении в цепь стока резистора R_C транзистор переходит в динамический режим работы (рис. 2.15).

Для транзистора, с включенным в цепь стока сопротивлением нагрузки R_С, справедливо соотношение:

, (2.5)

где -напряжение источника питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистораявляется функцией тока стока. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линияNМ (рис. 2.15, б), называемая нагрузочной прямой на постоянном токе. Она может быть построена по двум точкам, если в уравнении (2.5) последовательно положить= 0 и= 0 и найти координаты точекNиM. Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению тока стока соответствует конкретное значение напряженияи конкретное падение напряжения на нагрузке. Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному току, называется рабочей точкой.

При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала) рабочая точка под действием управляющего напряжения затвора будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения .

Лекция 3. Тиристоры и симисторы. Оптроны

3.1. Тиристоры и симисторы

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-nпереходами, в вольт-амперной характеристики которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Исходя из принципа действия, тиристор является ключевым прибором, т.е. он может находиться в одном из устойчивых состояний равновесия – или включен или

Классификация.В зависимости от числа электродов различают диодные тиристоры (динисторы), имеющие два электрода или триодные (тринисторы), имеющие три электрода (рис. 3.1). В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направлениях тиристоры подразделяются на однопроводящие или двухпроводящие (симметричные тиристоры – симисторы). В триодных тиристорах управление состоянием производится пот цепи управляющего электрода. При этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния прибора. Поэтому различают одно- и двухоперационные тиристоры. В однооперационных (незапираемых) по цепи управления осуществляется только

отпирание тиристора. Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание (как в рассмотренном выше случае), так и запирание при подаче на управляющий электрод импульса отрицательной полярности относительно катода.

Принцип действия. Наиболее простой является четырехслойная полупроводниковая структура типаp1-n1-p2-n2 (рис.3.2) . Крайние области, имеющие высокую концентрацию основных носителей заряда, называют эмиттерами, а центральные области (с низкой концентрацией носителей заряда) – базами. Электрод, присоединенный к эмиттеру р1, называют анодом, а к эмиттеруn2– катодом. Базы тиристора отличаются концентрацией примесных атомов и толщиной. База р2 имеет более высокую концентрацию примесных атомов и меньшую толщину, чем базаn1. К базе р2 подсоединяют управляющий электрод. При отсутствии внешнего напряжения наp-nпереходах тиристора П1–П3 устанавливается

состояние термодинамического равновесия, при котором токи дрейфа и диффузии, проходящие через p-nпереходы, взаимно уравновешиваются. Общий ток тиристора равен нулю. Если на тиристор подать напряжениеU_АК прямой полярности (как на рис. 3.2), то эмиттерные переходы П1 и П3 будут включены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. Поскольку сопротивление открытых эмиттерных переходов невелико, то всё внешнее напряжение будет приложено к закрытому переходу П2. Дырки, инжектированные из эмиттера р⁺1, диффундируют через базуn⁻1 к закрытомуp-nпереходу, перебрасываются его полем в область базы р⁻2 и далее движутся катоду. Аналогичным образом происходит встречное движение электронов, инжектированных изn⁺2 эмиттера. При этом через тиристор проходит небольшой ток, зависящий от внешнего напряжения, инжекции эмиттерныхp-nпереходов, рекомбинации носителей заряда в базах, термогенерацией носителей заряда в базах и объеме обратно включенного коллекторногоp-nперехода П2, а также эффектом лавинного размножения носителей заряда в объемеp-nперехода П2:

, (3.1)

где I _КО –обратный ток перехода П2,- коэффициент передачи дырочного тока черезn⁻1 базу;- коэффициент передачи электронного тока через р⁻2 базу.

Если к управляющему электроду приложить положительное относительно

катода напряжение, то в цепи управляющего электрода потечет ток управления , увеличивающий общий ток тиристора и будет происходить снижение потенциального барьераp-nперехода П3. Уравнение (3.1) при этом примет вид:

(3.2)

Тиристор можно перевести из состояния низкой проводимости (закрыт) в состояние высокой проводимости (открыт) двумя способами. Первый способ связан с повышением напряжения анод-катод U_{АК ,} приложенным к тиристору прямой полярностью при токе управления. Повышение напряжения вызывает увеличение тока через коллекторный переход за счет увеличения тока утечки по поверхности перехода и умножения в нем носителей за счет их лавинного размножения в объемеp-nперехода П2 . Рост тока в свою очередь вызывает увеличение коэффициентови, что приводит к росту количества носителей заряда, инжектируемых эмиттернымиp-nпереходами и т.д. При достижении напряжения включенияU_ВКЛрост концентрации носителей заряда в закрытомp-nпереходе П2 принимает лавинообразный характер и происходит скачкообразное включение тиристора (рис. 3.3). Ток через тиристор скачком возрастает до величиныI_A, определяемой внешним напряжением и сопротивлением нагрузки.

Второй способ включения связан с подачей напряжения положительной полярности на управляющий электрод тиристора относительно катода. В этом случае ток управления I_у , протекающий в цепи управляющего электрода, снижает потенциальный барьерp-nперехода П3, что приводит к увеличению коэффициента и росту тока через тиристор (составляющая I_у в выражении (3.2)). Вследствие этого, включение тиристора происходит при меньшем напряжении между анодом и катодом.

Выключение тиристора на постоянном токе, т.е. перевод его с рабочего участка deна участокbcилиabпроизводится при снижении тока нагрузки до величины, меньшей тока удержанияI_УД или приложении обратного напряжения к тиристору.

Симметричные тиристоры (симисторы) предназначены для работы на переменном токе. Их можно представить как два встречно включенных параллельно тиристора, поэтому они имеют симметричную вольт-амперную характеристику, расположенную в первом и третьем квадрантах.

Н

а практике тиристоры включают, как правило, с помощью импульсов управления. Процесс включения тиристоров зависит от многих факторов: параметров цепи управления, свойств полупроводниковой структуры и её температуры, параметров цепи нагрузки. Основные статические параметры цепи управления тиристоров определяют из диаграммы управления, характеризующей область токов и напряжений сигнала управления, при которых происходит включение тиристора (рис. 3.4). На этой диаграмме в системе международного обозначения показаны следующие параметры:

U_G - постоянное напряжение управления;

I_G - постоянный ток управления;

U_GТ– отпирающее постоянное напряжение управления;

I_GТ - отпирающий постоянный ток управления;

U_FGM– прямое импульсное напряжение управления;

I_FGM– прямой импульсный ток управления;

Р_GM– импульсная рассеиваемая мощность управления.

Границами диаграммы управления являются ВАХ цепи управляющего электрода, снятые при максимальной (левая кривая) и минимальной (нижняя кривая) температурах полупроводникового элемента, а также кривая импульсной рассеиваемой мощности управления, которая зависит от относительной длительности импульса.

При выборе параметров импульса управления необходимо стремиться к возможно коротким импульсам с минимальной длительностью переднего фронта и максимально допустимой амплитудой тока. Это способствует уменьшению времени включения,мощности потерь и повышения стойкости тиристора к повышенным значениямdi/dt. При активной и активно-емкостной нагрузке минимально допустимая длительность импульса управления зависит только от параметров тиристора и составляет 2 -10 мкс. При активно-индуктивной нагрузке минимально допустимая длительность импульса управления может достигать единиц миллисекунд.

Симметричные тиристоры (симисторы)

Это тиристоры, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления. Симмистор можно получить путем встречно-параллельного включения двух тиристоров и объединения управляющих электродов.

На рис. 3.5 показана структура симметричного тиристора и его ВАХ. В зависимости от полярности напряжения поочередно работает или левая, или правая половина.

Тиристоры бывают:

- маломощные (I ≤ 0,3 А);

- средней мощности (0,3 А < I ≤ 10 А);

- большой мощности (I = 10…350 А и больше).

Силовые симисторы имеют маркировку ТС –ХХХ – К, где:

ТС – тиристор симметричный

ХХХ – прямой ток, А;

К – класс симистора, который определяется как К = U_МЗ / 100B, гдеU_МЗ – максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Величина К может достигать значений до 16 -18 едениц.

Тиристоры (симисторы) применяются в различных схемах электроники и автоматики, в преобразователях напряжения переменного тока, в качестве твердотельных реле переменного тока и т.д.

3.2. Оптроны

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения (ИИ), фотоприемник (ФП), объединенные в одной конструкции, которые могут быть связаны оптически, электрически или одновременно обеими связями (рис. 3.6).

В качестве ИИ, как правило, выступают арсенидо-галлиевые излучающие светодиоды с длиной волны излучения порядка 1 мкм. В качестве ФП используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры (фотосимисторы). Связующим элементом между ИИ и ФП служат пассивные или активные оптические среды (ОС). В оптронах с прямой внутренней оптической связью осуществляется преобразование: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал.В современной технике наибольшее распространение получили диодные, транзисторные и тиристорные (симисторные) оптопары (рис. 3.7).

Входная цепь оптопар определяется параметрами излучающего диода:

входным током через диод I_вх и падением напряжения на диоде ΔUпри заданном значении входного тока. Предельные значения (входной постоянный ток I_вх.п.) и ΔUдля разных типов излучающих светодиодов приводятся в паспортных данных.

Для большинства современных оптронов значение I_вх.п.равно 10 мА или 20 мА, а

ΔU=1,3…1,5 В. Для задания этих параметров во входной цепи необходимо установить балластное сопротивление:

R _б = (U _вх - ∆U)/ I _{вх. п.} , ,

где U_вх - входное напряжение оптопары.

Параметры выходной цепи оптопар определяются параметрами соответствующих фотоприемников. Усилительные свойства оптопар характеризуются статическим коэффициентом передачи тока K_I =I_вых /I_вх.

В диодных оптопарах коэффициент передачи измеряется в процентах, он примерно равен значению квантового выхода светодиода и составляет единицы процентов. Для описания свойств диодных оптопар используются передаточные и выходные вольт-амперные характеристики в фотодиодном режиме. Передаточные характеристики

I_вых=f(I_вх) для диодных оптопар практически линейны. Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики фотодиода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. Этот класс оптопар имеет самое высокое быстродействие.

В транзисторных оптопарах, как правило, используются фототранзисторы со структурой n-p-nна основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. При отсутствии излучения в цепи коллектора фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает обратный (темновой) ток. При облучении в базовой области генерируются пары электрон- дырка. Электроны вытягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, вследствие чего ток коллектора увеличивается. Соотношение между токами базы и коллектора следующее:

I_вых =h_21Э I_ф.б, гдеh_21Э – коэффициент передачи тока базы транзистора;I_вых – выходной ток в цепи коллектора;I_ф.б – генерированный излучением фототок в базе фототранзистора.

Таким образом, фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи тока K_I в транзисторных оптопарах достигает десятков единиц.

Выходные ВАХ нелинейные и имеют вид как и у биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Выходной ток зависит от входного (фототока базы) и напряжения между коллектором и эмиттером. Специфическими для транзисторных оптопар являются следующие параметры:

• максимальный выходной ток I_{вых. max} – ток фототранзистора, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

• максимальное коммутируемое напряжение на выходе U_{ком. max};

• время включения t_вкл – интервал времени между моментами нарастания входного сигнала до уровня 0,1 и спада выходного напряжения транзисторной оптопары до уровня 0,1 максимального значения;

• время выключения t_выкл – интервал времени между моментами спада входного сигнала до уровня 0,9 и нарастания выходного напряжения транзисторной оптопары до уровня 0,9 максимального значения.

В симисторных оптопарах в качестве приёмного элемента используется кремниевый фотосимистор. При облучении n-базы генерируются пары носителей заряда – электронов и дырок, что приводит к усилению инжекции неосновных носителей из эмиттерных областей, лавинообразному нарастанию тока через структуру и отпиранию симистора. Фотосимистор обладает большим внутренним усилением фототока. Специфическими для симисторных оптопар являются порядка 20 параметров, некоторые из них приведены ниже:

• ток включения I_вкл – постоянный прямой входной ток, который переводит оптопару в открытое состояние при заданном режиме на выходе;

• импульсный ток включения I_{вкл. и} – амплитуда входного импульсного тока заданной длительности_, при которой оптопара переходит в открытое состояние;

• входное напряжение U_вх – постоянное напряжение на входе оптопары при заданном токе включения;

• выходной удерживающий ток I_{вых. уд}– наименьший выходной ток, при котором симистор ещё находится в открытом состоянии при отсутствии входного тока;

• время включения t_вкл – интервал времени между входным импульсом тока на уровне 0,5 и выходным током на уровне 0,9 максимального значения;

• электрическая прочность изоляции U_{изол. .}между силовой и управляющей цепями.

Основными характеристиками симисторных оптопар являются: входная характеристика I_вх =f(U_вх), при снятии которой фиксируется момент включения оптопары и выходная ВАХ, которая является нелинейной и симметричной.

В современной электронике оптопары находят применение в схемах преобразования уровней сигналов, схемах согласования датчиков с измерительными блоками, гальванической развязки в линиях связи и гальванической развязки между силовой и управляющей цепями в различных преобразовательных устройствах, коммутирующих большие токи.