Занятие №23.

Тема: Четырехслойные полупроводниковые приборы (тиристоры).

Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более р-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок отрицательного сопротивления, называют тиристором. При включении такого прибора в цепь переменного тока он открывается, пропуская ток в нагрузку лишь тогда, когда мгновенное значение напряжения достигает определенного уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод.

Диодный тиристор (динистор) имеет выводы от двух крайних областей (рис. 2а).

Триодный тиристор (тринистор) – это полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру типа pnpn (или npnp) имеющую вывод от двух крайних областей и от одной внутренней (базовой) области (рис. 2б).

В этих структурах крайние электронно-дырочные переходы называются эмиттерными, средний переход – коллекторным, внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней р-областью – анодом. База р₂ имеет металлический контакт, называемый управляющим электродом УЭ и подключенный к внешнему источнику управляющего напряжения УЭ. Если ток в цепи управляющего электрода равен 0 I_УТ=0 и между анодом и катодом приложено постоянное напряжение с полярностью указанной на рис. 1а и по величине меньшее U_{пр зкр max Т} то переходы П₁ П₃ смещены в прямом, а П₃ в обратном направлении, и на обратно смещенном переходе П₂ падает большая часть напряжения внешнего источника Е_а. С повышением внешнего напряжения I_а увеличивается, т.к. увеличивается смещение переходов П₁; П₃ в прямом направлении. Снижение потенциального барьера перехода П₃ приводит к инжекции электронов из эмиттера n₂ в базу Р₂, которые достигнув обратносмещенного коллекторного перехода П₂ перебрасываются его полем в базу n₁. Рост концентрации электронов в базе n₁ приводит к уменьшению потенциального барьера перехода П₁ и следовательно увеличению инжекции дырок из эмиттера р₁ в базу n₁. Эти дырки пройдя через базу n₁ достигают перехода П₂ и перебрасываются его полем в базу Р_2. Увеличение концентрации дырок в базе Р₂ приводит к снижению потенциального барьера перехода П₃ и следовательно увеличению инжекции электронов из эмиттеров n₂ и т.д. В структуре начинает развиваться лавинообразный процесс увеличения тока (участок oa на рис. 1а). Когда внешнее напряжение U_a станет равным U_{пр зкр max т} лавинообразный процесс увеличения тока достигнет max. Резкое увеличение концентрации электронов в базе n₁ и дырок в базе р₂ приводит к быстрому (соизмеримо с длительностью лавинообразного процесса) снижению напряжения U₂ обратносмещенного перехода П₂, а следовательно и к уменьшению напряжения на тиристоре, т.к. U_a=U₁+U₂+U₃ (рис. 1а). Это означает, что прямая ветвь ВАХ четырехслойной структуры имеет участок отрицательного сопротивления (участок аb на рис. 1б), на котором рост тока обусловлен уменьшением напряжения. Рост тока во внешней цепи будет определяться сопротивлением нагрузки R_Н и напряжением источника питания Е_а. Рабочим участком ВАХ является участок cd. Для выключения тиристора надо уменьшить прямой ток I_а до значения, не превышающего значения тока удержания I_{уд т} (точка с на рис. 1б) или подать на тиристор напряжение обратной полярности. При изменении полярности внешнего напряжения переходы П₁ и П₃ смешаются в обратном направлении, а П₂ остается прямосмещенным. ВАХ получается такая, как у обычного диода при обратном включении (участок ос на рис. 1б). Напряжение включения U_{пр зкр max т} можно уменьшить, если в цепь какой-либо из баз (обычно р₂), примыкающих к переходу П₂, ввести от внешнего источника Е_у дополнительное число носителей заряда за счет тока управления I_ут.

2. Оптоэлектронный прибор.

Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой. Управляющим (входным) сигналом для источника света являются входное напряжение U_вх или входной ток I_вх, а выходным – яркость высвечивания В_вых. В свою очередь входным сигналом для фотоприемника является падающий световой поток В_вх, а выходным напряжение U_вых или ток I_вых, значения которых находят в соответствие с изменением интенсивности светового потока В_вх. Источник света и фотоприемник связаны между собой активной или пассивной оптической средой ОС. В качестве источника используют: инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод; люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. В качестве приемника излучения применяют: фоторезистор; фотодиод; фототранзистор и др. Оптопара позволила создать аналог разделительного трансформатора, что является особенно актуальным в интегральной микроэлектронике.

На рис. 3 условные обозначения оптопары, включающей различные приемники (а – резисторная; б – диодная; в – транзисторная; г - тиристорная).

Маркировка оптопар включает семь символов:

1-й – обозначает исходный материал (обычно это буква А – соединение галлия или цифра 3 – для приборов спуиального назначения).

2-й – буква О – оптопара.

3-й – указывает тип приемника оптопары: Д – диод; Т – транзистор; У – тиристор; Р – с открытым оптическим каналом.

4-й; 5-й; 6-й – символы указывают номер прибор.

7-й – буква, обозначающая классификацию по группам параметров.

Пример: АОД130А – оптопара диод-диод на основе соединения галлия, номер прибора 130, группа параметров А.

Тема: Четырехслойные полупроводниковые приборы.

1. Тиристоры.

Тиристор – полупроводниковый элемент с тремя и более переходами и двумя выводами, один из которых называется анодом, а другой катодом. На рис. 1а разрез структуры, 1б – УГО, 1в – ВАХ двухвыводного тиристора, называемого еще динистором. Для работы тиристора необходимо приложить напряжение (+ к аноду, а – к катоду). Тогда р-n переходы П1 и П3 откроются и все напряжение приложится к р-n переходу П2, который закрыт и характеризуется большим сопротивлением. При увеличении напряжения до значения U_ВКЛ переход П2 открывается и тиристор переходит в открытое состояние, в котором ток лавинообразно увеличивается, а падение напряжения на тиристоре составляет 0,5-1 В. При уменьшении тока до нуля переход П2 снова переходит в закрытое состояние. Для уменьшения величины напряжения включения U_ВКЛ используют управляющий электрод (рис. 2) с помощью которого в зону перехода П2 подают дополнительные носители заряда (ток I_упр), что ускоряет переход тиристора в открытое состояние при U<U_ВКЛ. Такие тиристоры называют триодными или тринисторами.

Различают тринисторы с управлением по катоду, когда управляющий электрод присоединен ближе к катоду (разрез структуры и УГО такого тринистора показаны на рис. 2а, б). При управлении по катоду на управляющий электрод (УЭ) подается положительный импульс тока относительно катода. Второй тип тринистора – это тринистор с управлением по аноду, когда управляющий электрод присоединен ближе к аноду (разрез структуры и УГО такого тринистора показаны на рис. 3а, б). При управлении по аноду на управляющий электрод (УЭ) подается отрицательный импульс тока относительно анода. ВАХ обоих видов управляемых тиристоров (тринисторов) примерно одинакова и изображена на рис. 4. Согласно ВАХ чем больше импульс тока управления тринистора, тем меньше его U_ВКЛ.

Симметричные тиристоры, называемые симисторами – это тиристоры имеющие четыре р-n перехода и симметричную характеристику. Разрез структуры, УГО и ВАХ такого тиристора представлены на рисунках 5а; 5б; 5в.

Если от области сделать вывод (управляющий электрод), то при обеих полярностях напряжения можно управлять включением тиристора подачей стгнала управления I_у и тогда разрез структуры, УГО и ВАХ примут вид, приведенный на рис. 6а; 6б; 6в.

Параметры тиристора:

I_пр – номинальный прямой ток, определяемый допустимым нагреванием тиристора.

U_{зв. доп} – допустимое обратное напряжение, не приводящее к пробою транзистора.

t_вос – время восстановления свойств тиристора, определяемое моментом подачи импульса управления тиристором после его выключения.

Маркировка тиристоров:

1 позиция – буква Т – указывает на назначение.

2 позиция – буква, указывающая на вид тиристора (Б – быстродействующий, С – симметричный, Ч – частотный, П – с обратной проводимостью).

З позиция – 3 цифры характеризующие конструктивные особенности.

4 позиция – число равное среднему току I_а в амперах.

5 позиция – класс по напряжению, на которое рассчитан тиристор.

6 позиция – цифры определяющие номера групп по скорости нарастания напряжения и временем выключения.

Пример: ТБ133-250-8-52 – тиристор быстродействующий, средний анодный ток 250 А, восьмой класс по напряжению, пятая группа по нарастанию напряжения и вторая группа по времени выключения.