12.2.4. Тиристоры

Тиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей (рис. 12.8) с тремя электродами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ, отходящими от слоевp₁,n₂иn₁соответственно (тиристор сN-управля-ющим электродом). Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний.

Напряжение питания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П₂. Соответственно ток(при= 0) тиристора, представляющий собой обратный ток перехода П₂, является прямым током для переходов П₁и П₃. Тиристор имеет релейную проходную характеристику (рис. 12.9).

Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁и П₃открыты, а П₂закрыт. Вследствие этого ток через тиристор не протекает. Если повышать напряжение, то ток тиристора будет незначительно увеличиваться, пока не достигнет определенного значения.

Рис. 12.8	Рис. 12.9

Происходит лавинообразный пробой внутреннего перехода, ток через тиристор резко возрастает, и тиристор открывается.

Напряжение включения может быть снижено, если в слойввести дополнительные носители заряда от независимого источника энергии. В зависимости от тока управления можно получить семейство характеристик тиристора (рис. 12.9). Важными параметрами при выборе тиристора являются ток управленияи максимальное обратное напряжение

Тиристоры маркируют буквами и цифрами, например, КУ202Н, 2У202Н, где К- или 2 – кремниевые; У-тиристоры; 202Н – обозначение параметров прибора (мощность, частота, напряжение, ток).

Иногда изготовляют тиристоры с симметричной ВАХ. Это достигается встречным соединением двух одинаковых четырехслойных структур или специальных пятислойных структур с четырьмяp-n-переходами. На рис.12.10показана структура симметричного тиристора (симистора), предназначенного для работы в цепях переменного тока. Симистор состоит из пяти слоев чередующихся электронной и дырочной

Рис. 12.10 проводимостей. Металлические слои М () обеспечивают выключение одного изр-nпереходов (П₃или П₄)в зависимости от направления ЭДС() источника питания. Поэтому при каждом из направлений основного (прямого) тока() функционируют три перехода, как у обычного тиристора.

Возможность работы симистора в цепи переменного тока и управления переменным током является важной для практики его применения. Симистор может управляться и постоянным током.

12.2.5. Холлотроны

Холлотрон представляет собой магнитно-полупроводниковый прибор, действующий на основе гальваномагнитного эффекта возникновения ЭДС в кристалле проводника или полупроводника, находящемся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока на основе эффекта Холла. По существу эффект возникновения ЭДС является особым случаем явления электромагнитной индукции. Электродвижущая сила Холла, как и в электромеханическом генераторе, возникает вследствие взаимодействия движущихся электронов с магнитным полем. Разница состоит лишь в том, что электроны проводника обмотки электромеханического генератора перемещаются относительно магнитного поля вместе с проводником за счет механической энергии, а электроны твердого тела, в котором возникает ЭДС Холла, перемещаются в его кристаллической решетке под воздействием электрической энергии.

В полупроводнике с электронной проводимостью в виде удлиненной пластинки прямоугольной формы при показанных на рис. 12.11 направлениях тока и магнитного поля, электроны отклоняются на боковую граньа и образуют на ней отрицательный заряд. Противоположная грань б заряжается положительно. Таким образом, ЭДС Холла обусловливается пространственно разделенными разноименными зарядами. Как и ЭДС электромеханического генератора, она определяется мгновенным значением магнитной индукцииВ, скоростью и геометрическими размерами полупроводникаb в направлении ЭДС (длиной проводника обмотки генератора)

. (12.2)

Поскольку концентрация электронов в полупроводнике намного ниже, а подвижность выше, чем у проводников, то ЭДС в полупроводниках получается достаточной для технического использования гальваномагнитного эффекта Холла.

Холлотрон (рис. 12.12 а) состоит из магнитопровода 1 с обмоткой w возбуждения магнитного поля и полупроводникового элемента (пластины) 2 прямоугольной формы (рис.12.12 б), расположенной в воздушном зазоре магнитопровода. Характеристики холлотронов определяются прежде всего свойствами и характеристиками полупроводниковых элементов, которые имеют четыре электрода. Токовые электроды 1 и 2 для создания равномерной плотности тока соприкасаются с пластиной по всей поверхности ее торцевых граней. Электроды Холла 3 и 4, наоборот, выполняются точечными, и располагают их на середине узких боковых граней.

Электродвижущая сила Холла зависит от размеров пластины, главным образом от ее толщины d. Уменьшение отношения длины пластины к ширине снижает ЭДС связи с усиливающимся влиянием токовых электродов, шунтирующих грани, между которыми возникает ЭДС. По мере снижения

а) б)

Рис. 12.12

уменьшается сопротивление пластины между токовыми электродами. Поэтому при сохранении поверхности пластины (условий теплоотдачи) может быть увеличен ток и соответственно ЭДС Холла. При неизменной мощности оптимальной в отношении значения ЭДС является квадратная пластина. При квадратной форме сопротивления имежду токовыми электродами и между электродами Холла одинаковы. В целях снижения свойственной полупроводникам зависимости удельного сопротивления от магнитной индукции обычно используются пластины с соотношением= 2. Элементы Холла изготовляются в виде пластин, вырезанных из кристалла, или в виде пленок путем напыления полупроводникового вещества на изоляционную подложку, например, на тонкий слой слюды. На слюду обычно наклеивают и вырезанные из кристаллов пластины. Толщина пластин составляет несколько десятых долей миллиметра, а пленок – микроны. Однако подвижность электронов пленок значительно ниже подвижности электронов кристаллов.

Для изготовления холлотронов применяются следующие полупроводниковые вещества: антимонид (InSb) и арсенид (1пSb) индия, германий (Ge), теллурид (HgTe) и селенид (HgSe) ртути.

Основными количественными показателями полупроводниковых элементов холлотронов являются: коэффициент чувствительности по ЭДС и коэффициенты преобразования напряжения и мощности.