Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / 11 / 5-6

171

5. Тиристоры

5.1. Устройство и принцип действия

Тиристорный эффект — взаимодействие 3-х близлежащих р-п переходов.

Устройство тиристора 2-транзисторная модель

ОДС является следствием положительной

обратной связи. Для случая : .

Коэффициент обратной связи .

Условие ОДС: , т.е. или

Транзисторы Т₁ и Т₂ имеют общий коллекторный переход: .

Уравнения Кирхгоффа:

; (5.1.1а)

. (5.1.1б)

При оба транзистора работают в нормальном режиме (оба эмиттерных перехода открыты, общий коллекторный переход закрыт).

В нормальном режиме: ;

.

Транзисторы Т_1,2 имеют общий коллекторный переход: ;

.

Подставляя уравнения в (5.1.1а,б), получим: ;

.

Отсюда: (5.1.2а) (5.1.2б)

Простейший тиристор — 2-полюсник (без электродов базы) — динистор.

Для динистора I₁ = I₂ = 0, и из (5.1.2а,б): (5.1.3)

При : , и При повышении коэффициенты и возрастают по следующим причинам:

1). Оба эмиттерных перехода открыты, и большая часть напряжения выделяется на закрытом коллекторном переходе. При увеличении закрытый коллекторный переход расширяется, и уменьшаются толщины обеих баз (эффект Эрли).

2). При большом напряжении происходит ударная ионизация электронно-дырочных пар в закрытом коллекторном переходе. В результате коэффициенты и увеличиваются в раз, где М — коэффициент размножения носителей заряда в коллекторном переходе — возрастает с уведичением .

3). При увеличении напряжения возрастают эмиттерные токи . При малых токах эмиттера увеличиваются коэффициенты передачи тока (см. раздел 5.5 части 3).

5.2. ВАХ тиристора

При пороговом напряжении V_T0 , и согласно (5.1.3) ток неограниченно возрастает. Реально это соответствует нулевому значению дифференциального сопротивления:

.

При увеличении I_А коэффициенты увеличиваются, и напряжение V_AC снижается, т.к. условие выполняется при

меньшем напряжении V_AC. При дальнейшем увеличении тока из-за снижения V_AC транзисторы переходят в режим насыщения (коллектроный переход отпирается). При этом , и дифференциальное сопротивление .

Одна или обе базы могут служить управляющими электродами. Напрамер, при I₂ = 0, I₁ > 0 ток I_C = I_e1 > I_А, и коэффициент увеличивается. В результате снижается пороговое напряжение: V_T1 < V_T0.

При подключении к источнику э.д.с. Е через нагрузочное сопротивление R тиристор может работать в бистабильном режиме (рис.).

Переключение тиристора из состояния 0 (малый ток) в состояние 1 (большой ток) может осуществляться одним из базовых токов (на рис. I₁).

Обратное переключение возможно только за счет понижения напряжения питания.

5.3. Эффект dV / dt и паразитные тиристорные эффекты

Если напряжение V_AC повыщается достаточно быстро, то через емкость колекторного перехода протекает дополнительный ток смещения

.

Этот ток приводит к увеличению токов эмиттера транзисторов Т₁ и Т₂:

.

В цепях эмиттеров токи и уже не являются токами смещения — это токи инжекции носителей заряда через эмиттерные переходы. Поэтому увеличение токов эмиттера повышает коэффициенты передачи тока и . Этот эффект (эффект dV / dt) проявляется таким же образом, как дополнительный управляющий ток базы и приводит к снижению порогового напряжения.

Эффект dV / dt чрезвычайно опасен в ИМС на комплементарных МДП транзисторах, где проявляется как “эффект защелки”.

Включение паразитного тиристора приводит к катастрофическим отказам, т.к. при этом замыкаются области стока и истока соседних комплементарных транзисторов.

Эффект защелки усугуб-ляется эффектом dV / dt и представляет серьезную технологическую проблему.

Биполярный интегральный транзистор — 4-слойная структура п⁺-р-п-р.

Условие влючения паразитного тиристора:

,

где — коэффициент перадачи тока р-п-р транзистора Подложка-Коллектор-База. Поскольку , тиристор может включиться уже при . Коэффициент имеет значительно большую величину, если нет скрытого п⁺-слоя в коллекторе.

5.4. Применение тиристоров

Главная область применения тиристоров — силовая электроника.

Тиристоры используются как мощные ключи с малым сопротивлением во включенном состоянии.

Тиристоры с управляющим электродом одной из баз широко применяются как выпрямители переменного тока, а также как управляемые ключи в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

В микроэлектронике тиристоры применялись как бистабильные элементы хранения информации в ЗУ.

6. Туннельные диоды

6.1. Устройство и принцип действия

В туннельном диоде (ТД) обе области (анод и катод) вырождены.

ОПЗ имеет очень малую толщину — туннельно прозрачна.

6.2. Основные параметры и применение туннельного диода

Основной параметр качества ТД – отношение пикового тока к току долины :

.

Параметр качества возрастает при уменьшении диффузионного тока, который снижается с увеличением ширины запрещенной зоны исходного материала (диффузионная ветвь ВАХ сдвигается вправо). Поэтому хорошим материалом для ТД является GaAs.

Типичные значения параметров ВАХ:

мА; ; В; В.

Процесс туннелирования электронов через потенциальный барьер происходит практически мгновенно. Поэтому быстродействие туннельных диодов в основном определяется барьерной емкостью тонкого р-п перехода.

Характерная постоянная времени:

ТД применяются в измерительной технике для формирования резких перепадов напряжения небольшой амплитуды (тестовые перепады).

ТД изготовляются в виде дискретных приборов, т.к. технология их изготовления не совмещается с базовыми технологиями изготовления ИМС.

6.3. Обращенные диоды

Если уменьшить степень легирования анода и катода, участок ОДС устраняется. Такие приборы называются обращенными диодами (ОД). При малых напряжениях ОД имеют в обратном направлении значительно более высокую проводимость, чем в прямом.

Нелинейность ВАХ в области значительно выше, чем у полупроводниковых диодов и диодов Шоттки.

ОД можно использовать для выпрямления очень малых сигналов с амплитудой напряжения .