А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

Рисунок 6.12 – Закрытое (а) и открытое (б) состояния полевого транзистора в схеме по рисунку 6.11

Напряжение затвор–исток UЗИ = φЗ – φИ ≈ 0,012 – 0,002 ≈ 0,001 В. Полевой транзистор перейдет в открытое состояние (рисунок 6.6, б),

иего сопротивление «исток–сток» будет минимальным (рисунок 6.12, б).

По цепи +ЕК, R2, т. И, т. С, база VT2, эмиттер VT2, –ЕК потечет небольшой ток (рисунок 6.13, а) который откроет биполярный транзистор VT2. Сопротивление «коллектор–эмиттер» VT2 уменьшится,

ипо цепи +ЕК, VD, коллектор VT2, эмиттер VT2, –ЕК потечет ток, который зажжет светодиод VD (рисунок 6.13, б).

Рисунок 6.13 – Цепи протекания токов базы (а) и коллектора (б) биполярного транзистора VT2 при открытии полевого транзистора VT1 в схеме по рисунку 6.11

101

Открытия ПТ в данной схеме можно также добиться, лишь прикоснувшись рукой к затвору ПТ. В этом случае создастся цепь +ЕК, R3, т. З, RТ, земля, –ЕК, где RТ — сопротивление тела человека. Так как RТ << R1 = 1 М, то потенциал т. З относительно т. И не будет превышать 1 В. Оба транзистора откроются, и светодиод зажжется.

6.6Вопросы для самоконтроля

1.Устройство полевого транзистора (ПТ) с управляющим р-n переходом.

2.Принцип работы ПТ с управляющим р-n переходом.

3.Условные обозначения ПТ с управляющим р-n переходом.

4.Схемы включения ПТ с управляющим р-n переходом.

5.Статические выходные характеристики ПТ в схеме с общим истоком.

6.Управляющие характеристики ПТ в схеме с общим истоком.

7.Статические характеризующие параметры ПТ и их определение.

7.1.Крутизна управляющей характеристики.

7.2.Выходное (внутреннее) сопротивление.

7.3.Статический коэффициент усиления по напряжению.

8.Максимально допустимые значения ПТ.

9.Виды и особенности конструкции ПТ с изолированным затвором.

10.Условные обозначения ПТ с изолированным затвором.

11.Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом.

12.Принцип работы МДП-транзистора с индуцированным каналом.

13.Схема включения с общим истоком и управляющая характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом.

14.Устройство МДП-транзистора с встроенным каналом.

15.Принцип работы МДП-транзистора с встроенным каналом.

16.Схема включения с общим истоком и управляющая характеристика МДП-транзистора с встроенным каналом.

17.Преимущества ПТ по сравнению с биполярными.

18.Недостатки ПТ по сравнению с биполярными.

19.Применение ПТ.

20.Схема работы ПТ в ключевом режиме.

102

7 ТИРИСТОРЫ

7.1 Общие сведения о тиристорах (ТС)

Тиристорами (от греч. thýra – дверь, вход и англ. resistor – резистор) называются полупроводниковые приборы, состоящие из четырех или более чередующихся p и n областей, то есть имеющих три

иболее p–n переходов. Они могут находиться только в двух устойчивых состояниях: открытом, когда их сопротивление близко к нулю,

изакрытом, когда их сопротивление близко к бесконечности. В электротехнических устройствах ТС применяются как переключающие элементы в регулируемых выпрямителях, инверторах, бесконтактных выключателях, преобразователях частоты и многих других.

Функции, выполняемые ТС, аналогичны функциям, которые выполняют транзисторы в ключевом режиме. Транзисторы из-за своего низкого коэффициента усиления по току (10…100) используются в устройствах малой и средней мощности, а ТС, обладающие очень большим коэффициентом усиления по току (105…106), – в мощных преобразователях.

Основные варианты четырехслойных ТС, имеющих три p–n пе-

рехода (j1, j2, j3), приведены на рисунке 7.1. Электрод, подключенный к области р1, является анодом (А), а электрод, подключенный к области n2, – катодом (К).

Четырехслойный полупроводниковый прибор, имеющий только эти два электрода, называется диодным тиристором или динистором (рисунок 7.1, а).

Прибор, имеющий еще один вывод, который является управляющим электродом (УЭ), называется триодным тиристором, или три-

нистором (рисунок 7.1, б и в). Если УЭ подключен к области р2, то такой тринистор называется с управлением по катоду (рисунок 7.1, б),

если к области n1 – с управлением по аноду (рисунок 7.1, в). Тринисторы делятся на незапираемые и запираемые. Незапираемые

приборы при помощи сигнала, подаваемого на УЭ, могут только открываться, а запираемые – как открываться, так и закрываться. Последние иногда называют GTO-тиристоры (Gate Turn–o – выключаемый по цепи управления). Их работа будет рассмотрена в следующем разделе.

103

Рисунок 7.1 – Структурные схемы и условные обозначения динистора (а), тринисторов с управлением по катоду (б) и аноду (в)

Кроме четырехслойных ТС, проводящих ток только в одном направлении, применяются полупроводниковые приборы, имеющие пятислойную структуру и, соответственно, четыре p–n перехода. Такие устройства позволяют проводить ток в обоих направлениях. Изза одинаковой формы ВАХ в прямом и обратном направлениях они получили название симметричных тиристоров или симисторов. Иногда их еще называют триаками (triode for alternating current — триод для переменного тока).

Кроме этого, в некоторых технических устройствах нашли применение следующие виды ТС: фототиристоры, оптотиристоры, ассиметричные, тиристоры-диоды, полевые тиристоры и другие.

Наибольшее применение в технике нашли незапираемые тринисторы с управлением по катоду (рисунок 7.1, б), поэтому в данном разделе мы будем рассматривать только их работу. В большинстве технической литературы под словом «тиристор» имеются в виду именно такие полупроводниковые приборы. Поэтому и мы в дальнейшем будем пользоваться термином «тиристор», имея в виду только незапираемые тринисторы с управлением по катоду.

104

7.2 Процессы, происходящие в четырехслойной полупроводниковой структуре

7.2.1 Прямое напряжении и ток управления IG = 0

Рассмотрим, какие процессы будут происходить в ТС, когда к нему прикладывается прямое напряжение UF («+» на анод, «–» на катод), при отсутствии тока в цепи управления. В данном случае ТС работает как динистор (рисунок 7.1, а), то есть четырехслойный полупроводниковый прибор с двумя электродами – анодом (А) и катодом (К).

Рисунок 7.2 – Процессы, происходящие в тиристоре при IG = 0

При отсутствии внешнего напряжения (рисунок 7.2, а) на каждом p–n переходе возникает запирающий слой, вызванный переходом электронов из n-областей в p-области. В результате возникают «+»

и«–» заряженные атомы – ионы (квадратики на рисунке 7.2), которые препятствуют дальнейшему переходу свободных носителей.

Если на ТС подать небольшое напряжение в прямом направле-

нии UF и его плавно увеличивать, то на переходах j1 и j3 , включенных в прямом направлении, запирающий слой будет скомпенсирован,

иони будут открыты. К переходу j2 будет приложено обратное напряжение, и его запирающий слой увеличится (рисунок 7.2, б). Ток через переход j2, как и через весь ТС, будет определяться неосновными

105

носителями области n1 (дырками) и области р2 (электронами). Место

дырки Ȫ, перешедшей из области n1 в область р2, занимает дырка

Ȩ из области р1 (рисунок 7.2, б). Точно так же место электрона Oª,

перешедшего из области p2 в область n1, занимает электрон O¨ из области n2. Так как число неосновных носителей очень мало, то величина тока будет близка к нулю. Сопротивление полупроводникового прибора в этом случае велико и составляет 105…107 Ом. Тиристор считается закрытым.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения на ТС не приводит к существенному увеличению числа неосновных носителей. Ток мал, а сопротивление ТС остается очень большим. Это продолжается до тех пор, пока не наступает лавинный пробой перехода j2. При этом возрастает число неосновных носителей областей n1 (дырок) и р2 (электронов), и ток через переход j2 увеличивается. Благодаря этому основные носители из области p1 (дырки) в большом количестве устремляются в область n1, где они являются неосновными, и для них переход j2 открыт. То же самое происходит с основными носителями из области n2 (электронами). В области p2 они будут неосновными, и для них переход j2 также открыт. Число носителей заряда увеличивается в миллионы раз, ток резко возрастает, а сопротивление полупроводникового прибора падает до долей Ома. Тиристор открывается (рисунок 7.2, в).

Таким образом, чтобы открыть ТС, необходимо обеспечить высокую концентрацию неосновных носителей либо в области n1 (дырок), либо в области р2 (электронов), либо в той и другой областях. Они создадут ток перехода j2, что приведет к открытию ТС.

7.2.2 Прямое напряжении и ток управления IG > 0

Описанным выше способом (увеличением прямого напряжения) в открытое состояние переключают динисторы (рисунок 7.1, а). Тринисторы имеют третий вывод – управляющий электрод (УЭ), при помощи которого полупроводниковый прибор можно открывать при любом прямом напряжении.

У тринистора с управлением по катоду (который мы договорились называть тиристором) УЭ подключен к области р2. Если при небольшом прямом напряжении UF на тиристоре подать напряжение управления UG (UG << UF), причем «+» на УЭ (область р2), а «–» на К (область n2), то по цепи «+»UG, УЭ, р2, n2, К, «–»UG потечет ток управления IG (рисунок 7.3, а). Так как это напряжение прикладывается к переходу j3 в прямом направлении, ток IG будет состоять из

106

основных носителей – дырок, поступающих из области р2 в область n2 и электронов, поступающих из области n2 в область р2. Электроны, попав в область р2, становятся неосновными носителями, и для них переход j2 открыт. Меньшая часть из них составит ток управления, а большая – под действием прямого напряжения ТС устремится к аноду, увеличивая ток перехода j2. Это приведет к тому, что дырки из области р1 будут перемещаться в область n1, также увеличивая ток перехода j2. Электроны из области n2 уже под действием прямого напряжения ТС начнут движение к «+» заряженному аноду, что еще больше увеличит ток полупроводникового прибора. В результате этих процессов ТС откроется (рисунок 7.2, в).