- •Электронно-дырочный переход
- •Полупроводниковые диоды
- •Транзисторы
- •Силовые полупроводниковые приборы
- •Полупроводниковые оптоэлектронные приборы
- •Микроэлектроника
- •1. Определяем ток потребителя
- •Управляемые полупроводниковые выпрямители
- •Электронные усилители
- •Генераторы синусоидальных колебаний
- •Генераторы пилообразного напряжения
- •Мультивибраторы
- •Логические элементы
Силовые полупроводниковые приборы
Силовые полупроводниковые приборы предназначены для использования в силовых устройствах — управления электроприводом, преобразователях частоты, блоках питания большой мощности и т.д.
Тиристором называется полупроводниковый прибор, основой которого служит четырехслойная структура типа р-п-р-п (п-р-п-р), изготовленный из кремния с тремя р-п переходами. В простейшем случае тиристор имеет два электрода — анод и катод (рис. 26), называется диод тиристором или динистором. Анод осуществляет электрическую связь с внешней p-областью, а катод — с внешней n-областью. Два крайних перехода П1 и П3 называют эмиттерными переходами, средний П2 — коллекторным.
Если динистор подключать к источнику внешнего напряжения, полярностью, показанной на рис. 26, а, то два перехода П1 и П3 окажутся смещенными в прямом направлении, а П2 — в обратном.
Рис. 26. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)
Поэтому сопротивление перехода П2, будет значительно больше сопротивлений переходов П1 и П3, и основная часть питающего напряжения будет приложена к переходу П2. По мере увеличения анодного напряжения растет и падение напряжений на переходах П1 и П3, а на переходе П2 уменьшается, ток через динистор увеличивается (рис 27).
При некотором значении внешнего напряжения, называемого напряжением включения Uвкл процесс лавинообразно нарастает, ток резко возрастает, но ограничивается сопротивлением нагрузки Rн, и динистор переходит в режим насыщения (прямолинейный участок характеристики). Таким образом, все три перехода оказываются включенными в прямом направлении, и сопротивление динистора и, соответственно, падения напряжения на нем оказываются незначительными. В этом режиме динистор является отпертым, или включенным. Следовательно, динистор представляет собой переключающий прибор, имеющий два устойчивых состояния: включено и выключено.
Если от одной из базовых областей сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором (рис. 28).
Рис. 28. Структура тринистора с катодным управлением и его условное графическое обозначение (а); структура тринистора с анодным управлением и его условное графическое обозначение (б)
Подавая через управляющий электрод прямое напряжение на один из переходов, можно увеличить ток через этот переход, следовательно, и общий анодный ток, что приводит к снижению величины напряжения включения Uвкл. Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно управлять напряжением включения тринистора. При токе управления Iупр = 0, характеристика тринистора совпадает с характеристикой динистора (рис. 29). При токе Iупр > 0 происходит инжекция носителей из соответствующего эмиттерного перехода к коллекторному переходу.
Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тринистора
Чем больше управляющий ток, тем сильнее инжекция носителей и тем меньше требуется напряжения на тринисторе для его включения. Таким образом, для включения тринистора при заданном напряжении нужно соответственно подобрать значение управляющего тока.
Рассмотренные тринисторы не запираются с помощью тока управления. Чтобы тринистор запереть, следует уменьшить анодный ток до значения ниже Iвкл. В радиоэлектронной аппаратуре применяются тринисторы, которые можно запереть отрицательным импульсом управляющего тока (рис. 30).
Рис. 30. Условное графическое обозначение запираемого тиристора:
а — с выводом от р-области; б —с выводом от n-области
Четырехслойные тиристоры, рассмотренные выше, коммутируют токи, протекающие в одном направлении. На переменном токе применяются многослойные полупроводниковые приборы — симисторы (симметричные тринисторы), которые при воздействии напряжений различной полярности могут переключаться в двух направлениях. Основу таких приборов составляет шестислойная структура (рис. 31), у которой концевые переходы П1 и П4 соединены металлическими шунтами Ш1 и Ш2. Так как слой полупроводниковой структуры обладает высоким сопротивлением, крайние переходы П1 и П4 оказываются шунтированными лишь частично, в области контактов. В области р2 есть участок п6, обладающий электронной проводимостью. Между слоями р2 и n3 образуется электронно-дырочный переход П5.
Рис. 31. Структура симистора (а) и его условное графическое обозначение (б)
При приложении напряжения в цепи прибора с отрицательной полярностью на вывод А, а положительной — на вывод В переход П4 закрыт, ток проходит через слои n1– р2 – n3 – р4. Подача положительного управляющего импульса на управляемый электрод УЭ вызывает отпирание прибора как обычного четырехслойного тринистора. При этом шестой слой п6 не оказывает влияния на работу прибора.
В случае приложения к цепи симистора напряжения противоположной полярности переход П1 смещается в обратном направлении, и напряжение оказывается приложенным к слоям р2 – n3 – p4 – n5. При подаче на управляющий электрод импульса положительной полярности переход П5 смещается в прямом направлении, и электроны, инжектируемые из слоя п6 в слой р2, выбрасываются полем перехода П2 в слой n3, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию из слоя р2 дырок, которые, пройдя слой п3, попадают в закрытый переход П3 и способствуют переводу структуры р2 – n3 – p4 – n5 в проводящее состояние.
Вольтамперная характеристика состоит из двух почти симметричных относительно начала координат ветвей, аналогичных прямой ветви четырехслойного тринистора (рис. 32).
Рис. 32. Вольт-амперная характеристика симистора
Симисторы применяют для фазового регулирования мощности переменного тока, а также для работы в бесконтактной коммутационной и регулирующей аппаратуре.