Лабораторна робота № 6-8. Лабораторія фізики твердого тіла. 08.03.2017

Розробка: В.Омельяненко, Г.Чуйко, Д.Степанчиков

Лабораторна робота № 6–8 Вивчення властивостей напівпровідникового тиристору.

Мета роботи: зняти пускову та вольт-амперні характеристики (ВАХ) напівпровідникового тиристору.

Обладнання: кремнієвий тиристор КУ201Ж, випробувальний стенд-схема.

Теоретичні відомості

Рис.1. Система p-n- переходів тиристора.

Тиристор (від грецького “thyra”- двері) – це напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, який має три (або більше) випрямляючих переходи і здатний перемикатися із замкненого стану у відкритий і навпаки. Вперше описаний у 1956 році американським вченим Дж. Моллом. Основою тиристору є структура типу p-n-p-n (рис.1) з чотирьох шарів. Крайні області тиристорної структури називають емітерами (n і р), сусідні до них p-n- переходи (П₁ і П₃) – емітерними, центральний перехід (П₂) – колекторним. Поміж переходами знаходяться базові області (p і n), або просто – бази. Електрод, що забезпечує контакт з n-емітером, називають катодом, з p-емітером – анодом.

Існують три типи тиристорів:

• діодний тиристор – його бази не мають виводів;

• тріодний тиристор – має додатковий вивід від р-бази, який зветься керуючим електродом;

• тетродний тиристор – обидві бази мають виводи, тобто у приладу є два керуючих електроди.

Тиристори отримали широке застосування в радіо- та електротехніці у якості швидкодіючих перемикаючих пристроїв. Вони використовуються при конструюванні генераторів імпульсів різної форми, у схемах випрямлячів, для регулювання потужності змінного струму. Тиристори є напівпровідниковими аналогами лампових тиратронів.

Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) тиристора називають залежність анодного струму від анодної напруги при сталому значенні струму управління (). На ВАХ тиристору (рис.2) можна відмітити три основні області: область 1 – на аноді позитивне значення напруги, яке може сягати сотень вольт, але опір тиристору великий (декілька мегом), тому анодний струм порівняно малий (декілька мікроампер), у такому стані тиристор є замкнений; область 2 – тиристор має негативний опір, ця ділянка відповідає нестійкому стану тиристора; область 3 – анодна напруга не перевищує 1 – 2 В, але анодний струм порівняно великий, — тиристор у відкритому стані.

Рис.2. Вольт-амперна характеристика тиристора.

Переходи П1 та П3 при тій поляризації напруги, яка показана на рис.1, зміщені у прямому напрямку (відкриті), а перехід П2 – в оберненому (закритий). При малому значенні напруги на тиристорі, струм, який тече через нього, буде визначатися переходом П2: переходи П1 та П3 є відкритими, тому їхній опір порівняно малий, а опір закритого переходу П2 –, навпаки, великий. Тому початкова ділянка ОА1 вольт-амперної характеристики тиристора (рис.2) є подібною до ВАХ p-n-переходу зміщеному в оберненому напрямку. Струм через перехід П2 утворюється переміщенням через нього неосновних носіїв у прилеглих базових областях: електрони є неосновними носіями у середній р- області, а дірки – у середній n- області.

Рис.3. Вольт-амперні характеристики тиристора при різних струмах управління.

При збільшенні напруги, прикладеної до тиристору, зростають прямі струми через переходи П1 і П3 (точка А2 на рис.2). Внаслідок цього у середню р- область через перехід П1 інжектується (вприскується, поступає) зростаюча кількість електронів, а у середню n- область – зростаюча кількість дірок через перехід П3. Таким чином, концентрація неосновних носіїв у прилеглих до переходу П2 областях зростає. Це призводить до зменшення опору переходу П2 та перерозподілу падінь напруг поміж переходами П1, П2, П3: на переході П2 падіння напруги зменшується, а на переходах П1 і П3 – зростає. При деякому критичному значенні зовнішньої напруги на тиристорі U3 = Uвкл процес зростання струму через переходи П1 і П3 приймає лавиноподібний характер – тиристор відкривається.

IУ Iy1 Iy2 Iy3 0 Uвкл1 Uвкл2 Uвкл3 Рис.4. Пускова характеристика тиристора.

С трум різко, стрибком, зростає (ділянка А3 – А4 на рис.2), його величина обмежується головним чином опором навантаження Rн, яке увімкнено послідовно до тиристору. При цьому опір переходу П2 і тиристора у цілому зменшується настільки, що на тиристорі падає лише близько одного вольта напруги, а основна частина напруги падає на опорі навантаження Rн. Неосновних носіїв у прилеглих до переходу П2 областях тепер велика кількість і тому цей перехід можна вважати зміщеним у прямому напрямку. Таким чином, коли тиристор відкривається, то усі три переходи є зміщеними у прямому напрямку.

Якщо через керуючий електрод (рис.1) подати пряму напругу на перехід П2, то можна регулювати величину Uвкл – напруги, при якій тиристор відкривається. Ця властивість тиристору ілюструється вольт-амперними характеристиками, які подано на рис.3. Чим більше струм управління Іу, тим сильніша інжекція неосновних носіїв до середнього переходу, і тим меншу напругу необхідно подати на тиристор, щоб його відкрити. При достатньо великому значенні струму керуючого електроду, ВАХ тиристору вироджується у характеристику звичайного діода, втрачаючи ділянку негативного опору. Залежність поміж струмом управління Iy та напругою, при якій тиристор відкривається Uвкл, називається пусковою характеристикою тиристора (рис.4).

У даній лабораторній роботі передбачається експериментальне зняття пускової характеристики, а потім побудова на її основі ідеалізованих вольт-амперних характеристик при різних анодних напругах (рис.5). Для цього під час проведення вимірювань фіксуються значення анодної напруги U_A, струму управління I_y, при якому тиристор відкривається, анодної напруги U_Aвідкр та анодного струму I_A після відкриття тиристору.

Оскільки анодний струм тиристора у замкненому стані порівняно зі струмом у відкритому стані надзвичайно малий, то у першому наближенні, для побудови

IA, мА 0 1 2 50 100 150 200 UA, В Рис. 5. Ідеалізована ВАХ тиристора.

ідеалізованої ВАХ, його можна покласти рівним нулю. Таким чином область 1 (див. рис. 2) на ідеалізованій вольт-амперній характеристиці не зображають, а значення анодної напруги U_A=U_вкл відкладаються безпосередньо на осі напруг. Значення анодної напруги та анодного струму негайно після відкриття тиристору дають ще одну точку на ВАХ і дозволяють побудувати область 2 (нестійкий стан тиристора). Слід зауважити, що після відкриття тиристору, значення анодної напруги різко падає до кількох вольт, тому початкову ділянку на осі напруг варто будувати у більш дрібному масштабі. Експериментальні точки для значень струму, що отримуються після відкриття тиристору при різних значеннях анодної напруги дозволяють провести через них пряму лінію, яка відповідає області 3 на рис.2 (відкритий стан).