Стабилитроны [5]

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

• Лавинный пробой p-n перехода

• Туннельный пробой p-n перехода

На рис. 29 показанное схематическое изображение стабилитронов и их ВАХ.

Рис. 29

Варикапы [5]

Варикап (от англ. vari(able) — «переменный», и cap(acity) — «ёмкость») — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n-перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.

Зависимость барьерной емкости от приложенного к диоду обратного напряжения имеет следующий вид:

Рис. 31

Добротность барьерной емкости варикапа может быть довольно высокой, потому что она шунтируется высоким сопротивлением перехода при обратном смещении.

Туннельный диод [5]

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Å. при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов. Туннельный эффект достигается созданием очень тонкого обедненного слоя (0,01 мкм). При этом значительный ток начинает проходить через переход при напряжении, меньшем контактной разности потенциалов.

ВАХ, схематическое изображение и схема замещения туннельного диода показаны на рис. 32.

Рис. 32

Ток при туннельном эффекте проходит в обеих направлениях, только в области прямого сдвига ток сначала растет, а достигнув значения Imax при напряжении U₁, довольно резко спадает к значению Imin при напряжении U₂. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных сделать туннельный переход. При напряжении U₂ число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

При дальнейшем повышении напряжения выше U₂ прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Обратный диод [5]

Обратный диод является вырожденным туннельным диодом. Подбором концентрации примесей таким образом, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали при отсутствия внешнего сдвига на переходе, можно получить обычную диодную характеристику в области положительных напряжений. При этом участок негативного сопротивления будет отсутствовать. ВАХ обратного диода и его схематическое изображение представлено на рис. 33.

Рис. 33

Обратные диоды применяются для выпрямления на сверхвысоких частотах очень малых напряжений. Это обусловлено практическим отсутствием предельного обратного напряжения. Однако при этом нужно менять местами анод и катод, потому что меняются местами области выпрямления.

Тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя p-n-переходами. Упрощенное схематическое изображение структуры тиристора и его условное изображение показаны на рис. 38.

Рис. 38

ВАХ тиристора при отсутствия тока в управляющем электроде приведена на рис. 39.

Рис. 39

При увеличении напряжения до значения U_вкл между анодом и катодом тиристор остается выключенным, имея довольно высокое сопротивление. После достижения значения напряжения включения U_вкл тиристор включается, ток начинает стремительно возрастать, достигая значения I_н.

Постепенное снижение анодного тока ниже значения I_вкл, при которому включился тиристор, не приводит к выключению тиристора. Таким образом, ВАХ включенного тиристора аналогична ВАХ диода.

При увеличении тока управления снижается напряжение включения тиристора. Соответствующее семейство ВАХ приведено на рис. 40. При этом ток управления не влияет на процесс выключения тиристора. Для выключения тиристора на него подают напряжение обратной полярности, которую поддерживают на протяжении некоторого времени t_викл.

Рис. 40

Таким образом, в зависимости от наличия тока через управляющий электрод тиристор может работать в ключевом режиме.

Типичное применение тиристоров – силовая преобразовательная техника: управляемые выпрямители и инверторы.

Тиристор – полупроводниковый прибор, который включается управляющим сигналом. В модели тиристор представляют как резистор Rон, индуктивность Lон, и источник постоянного напряжения, представляющий прямое падение напряжение Vf, соединенный последовательно с идеальным выключателем. Переключатель управляется логическим сигналом в зависимости от напряжения Vак, тока Iак, и значения управляющего сигнала g.

Тиристор включается, когда напряжение между анодом и катодом Vак больше Vf и положительный импульсный сигнал подается на управляющий вход (g> 0). Амплитуда импульса должна быть больше 0, а длительность импульса достаточной, чтобы ток через тиристор стал больше, чем ток включения I_вкл.

Тиристор выключается, когда ток, протекающий через устройство становится равным 0 (Iак= 0) и между анодом и катодом появляется отрицательного напряжения в течение времени, равного Tq - время выключения. Время выключения Tq представляет время восстановления запирающих свойств тиристора. Если напряжение на устройстве становится положительным в течение периода времени меньше, чем Tq, устройство включится автоматически, даже если управляющий сигнал отсутствует (g = 0) и ток тиристора менее тока включения I_вкл.

Основные параметры тиристора

Максимальное обратное напряжение

Определяется как максимальное обратное напряжение, при котором тиристор может работать длительное время

Максимальное обратное напряжение тиристора зависит от температуры.

Падение напряжения на тиристоре во включенном состоянии

Когда тиристор переходит в проводящее состояние, напряжение на нем существенно уменьшается. Остаточное напряжение на тиристоре называется напряжением включенного состояния. Типичное значение остаточного напряжения находится в диапазоне приблизительно от 1 до 2 В.

Скорость нарастания напряжения (dv/dt)

Параметр, обозначающий скорость нарастания напряжения в прямом направлении, при которой тиристор не переходит в проводящее состояние. Максимальная скорость нарастания напряжения без переключения тиристора называется критической скоростью нарастания напряжения. Как только скорость нарастания напряжения превышает критическое значение скорости нарастания напряжения, тиристор переходит в проводящее состояние.

Номинальный ток

Пропускная способность потоку устройства известна как его номинальный ток. Номинальный ток может быть непрерывный и импульсный.

Непрерывный ток. Обычно определяется в терминах среднего или среднеквадратичного значения.

Импульсный периодически повторяющийся ток. Он определяется в терминах пикового значения. Если тиристорный управляемый выпрямитель периодически включать и выключать, то устройство будет повторять определенные нестационарные процессы. На пиковые значения токов при этих процессах следует обратить внимание.

Однократный импульсный ток. Ток при однократных импульсных воздействиях определяется в терминах пикового значения. Тиристор можно подвергнуть воздействию однократного импульсного тока только в течение времени, указанного для этого параметра. Однократный импульсный ток соответствует максимально возможному непериодическому пику тока, который тиристор способен выдержать. При однократном пиковом воздействии температура p-n-перехода может кратковременно превысить допустимый уровень. Однако если величины этих воздействий меньше допустимых, устройство способно в дальнейшем восстановить нормальную температуру. Этот процесс не повлечет за собой никаких необратимых изменений.

Ток запуска

Ток запуска — это минимальный ток управляющего электрода, который переводит тиристор из выключенного состояния во включенное. Этот параметр также определяется как минимальный ток запуска. Его характерная величина . 100 мА.

Ток удержания тиристора

Минимальное значение электрического тока, требуемого для поддержания тиристора в состоянии проводимости, называется током удержания. Ток удержания может быть определен как минимальное значение электрического тока, ниже которого тиристор переходит в выключенное состояние. Величина этого тока очень мала (обычно измеряется в миллиамперах), она даже меньше, чем запирающий ток управляющего электрода.

Ток управляющего электрода

Ток, подаваемый на управляющий электрод, называется током управляющего электрода. Он может быть минимальный и максимальный. Минимальный ток управляющего электрода — это минимальное значение тока, которое необходимо для включения тиристора. Управляющий ток меньше минимального не способен включить тиристор. Значение минимального тока зависит от скорости нарастания этого тока. С другой стороны, максимальный ток управляющего электрода — это максимально допустимое значение тока, которое может протекать через управляющий электрод непрерывно

Мощность, рассеиваемая на управляющем электроде

Средняя рассеиваемая мощность на управляющем электроде, вызванная протекающим через него импульсным током, определяется как мощность, рассеиваемая на управляющем электроде.

Время включения тиристора

После подачи тока на управляющий электрод тиристор неспособен мгновенно перейти в режим проводимости Для этого требуется определенное время Таким образом, время, которое требуется тиристору для достижения состояния полной проводимости » определяется как время включения тиристора.

Время выключения тиристора

Для выключения тиристора к нему требуется приложить обратное напряжение. Однако после этого требуется некоторое время, чтобы устройство выключилось. Это время определяется как время выключения тиристора. Его обычное значение составляет -20... 100 мкс.

Скорость нарастания тока

Скорость нарастания тока тиристора определяется как коэффициент di/dt. Максимальный коэффициент di/dt, при котором прибор способен сохранять включенное состояние, называется его критической скоростью нарастания тока.

Рассказки про вертикальный принцип управления.

1.3. Биполярный транзистор

Транзистор — это полупроводниковый прибор, изготовленный в виде трехслойной полупроводниковой структуры, образующей два близко расположенных p-n-перехода. Транзистор имеет три вывода, которые называются «эмиттер», «база» и «коллектор». Принцип работы транзистора можно объяснить с помощью рис. 1.6а.

Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, что обеспечивает инжекцию неосновных носителей в область базы. Коллекторный переход смещен в обратном направлении и обеспечивает сбор неосновных носителей, инжектированных эмиттерным переходом в область базы. Следует заметить, что область базы должна иметь достаточно малую толщину. В противном случае все инжектированные носители успеют ре комбинировать при прохождении через область базы. Допустим, что через эмиттерный переход протекают 100% электронов. Если в области базы приблизительно 1 % инжектированных электронов рекомбинируют, то оставшиеся 99% электронов пройдут через коллекторный переход.

Транзистор является устройством, управляемым током. Если через базовый переход протекает ток, транзистор находится в проводящем состоянии.

Если через базовый переход то к отсутствует, транзистор не проводит.^.Таким образом, транзистор работает как управляемый ключ. Если на базу подать импульс тока, транзисторный ключ откроется. В отсутствие импульса тока на базе транзисторный ключ разомкнут.

МОП-транзистор

Символическое обозначение и структура полевого транзистора (металл — окисел — полупроводник) с изолированным затвором (МОП-транзистора) приведены на рис. 1.15а. МОП-транзистор имеет три вывода, а именно исток, сток и затвор. Величина тока, протекающего между истоком и стоком, управляется путем изменения потенциала на затворе. Область затвора изолирована от сформированных в полупроводнике областей истока и стока тонким окисным слоем