4. Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы нашли широкое применение в электронике, но они имеют существенные недостатки. Недостатки обусловлены двумя факторами. Во-первых, активный режим работы предполагает, что эмиттерный переход транзистора открыт и его сопротивление мало. Поэтому такой прибор потребляет заметную мощность от источника входного сигнала. Во вторых, участие в работе транзистора носителей зарядов двух знаков обуславливает высокий уровень внутренних шумов из-за самопроизвольных рекомбинаций в объеме эмиттера и коллектора. От этих недостатков свободны полевые транзисторы. Величина тока этого транзистора управляется электрическим полем закрытого р-n перехода. Поэтому такой прибор практически не потребляет ток из входной цепи.

Полевые транзисторы подразделяются на два типа: с р-n переходом и МДП-типа. Разрез структуры полевого транзистора с р-n переходом приведен на рис. 12.7а. Слой полупроводника с проводимостью р-типа называется проводящим каналом. Он имеет два выхода во внешнюю цепь: И – исток, С – сток. Слои полупроводника с проводимостью n – типа соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором З. П олярность включения источников напряжения приведена на рис. 12.7а. На рис. 12.7б приведено схемное обозначение транзистора с р каналом, а на рис. 12.7в – с n каналом.

Когда управляющее напряжение по каналу течет ток, значение которого зависит от напряжения . Эта зависимость приведена на рис. 12.7г. Напряжение равномерно распределено по длине канала. Оно вызывает обратное смещение р-n переходов, причем наибольшее обратное напряжение приложено к области стока, а в области истока переходы находятся в равновесном состоянии (рис.12.8а).

На рис.12.8а,б заштрихованная площадь имитирует область запирающего слоя р-n перехода.

С увеличением напряжения область двойного запирающего слоя увеличивается (пунктирная линия на рис. 12.8а), сужая проводящий канал и увеличивая его сопротивление. Поэтому зависимость имеет нелинейный характер. При некотором значении границы р-n перехода смыкаются и рост тока , при дальнейшем увеличении , прекращаются (пологий участок характеристики рис.12.7г).

Увеличение положительного напряжения на затворе приводят к еще большему расширению запирающего слоя за счет проводящего канала (рис. 12.8б). В результате канал, проводящий ток, сужается и ток уменьшается. Очевидно, что существует такое значение , при котором ток I_C = 0. Это значение называют напряжением отсечки. Таким образом, изменяя напряжение можно управлять значением тока . При этом через цепь затвора протекает только малый тепловой ток р-n перехода.

5. Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, способный под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое. Благодаря этому свойству тиристоры применяются в цепях коммутации высоких мощностей и импульсных схемах информационной электроники.

Структура тиристора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности, например n-p-n-p или p-n-p-n (рис. 12.9а). В такой структуре есть три выпрямляющих p-n перехода и три вывода. На рис. 12.9б показано схемное обозначение тиристора, где А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод.

Рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре, при прямом включении (плюс к аноду, минус – к катоду) и нулевом управляющем напряжении .

При таком включении крайние p-n переходы открыты, а средний (базовый) – закрыт. Поэтому напряжение внешнего источника в основном падает на базовом переходе, а тиристор представляет собой диод при обратном включении. Поэтому и первый участок ВАХ тиристора (рис.12.9в) похож на обратную ветвь ВАХ диода.

Под действием приложенного напряжения дырки из р области эмиттера инжектируются в n базу и втягиваются полем базового перехода в р базу. Дальнейшему продвижению дырок препятствует небольшой потенциальный барьер коллекторного р-n перехода. Поэтому часть дырок задерживается и, скапливаясь, образует избыточный положительный заряд. Этот заряд понижает высоту потенциальных барьеров базового и коллекторного переходов, а также способствует увеличению инжекции электронов из n- области коллектора в р область базы.

Поле потенциального барьера закрытого р-n перехода базы втягивает электроны в n –область базы. Скапливаясь, они также образуют избыточный заряд, снижающий потенциальные барьеры эмиттерного и базового р-n переходов.

Величина избыточных зарядов в базовых областях тем больше, высота потенциального барьера на базовом переходе тем меньше, чем больше напряжение . При некотором значении высота потенциального барьера базового перехода уменьшается до значения, соответствующего прямому включению. Сопротивление базового перехода и падение напряжения на нем резко уменьшается (участок II ВАХ), а ток скачком увеличивается. Если значение тока не ограничивать, то он может быть настолько большим, что тиристор выйдет из строя. Чтобы поддерживать тиристор в открытом состоянии, через него необходимо пропускать ток, превышающий ток выключения, соответствующий точке Б на ВАХ.

На практике включать тиристор "по аноду" для большинства типов тиристоров нежелательно из-за возможного повреждения прибора. Поэтому одну из базовых областей снабжают выводом, на который подают управляющее напряжение . Подавая положительное по отношению к коллектору напряжение, можно регулировать сопротивление базового перехода, а значит и напряжение включения (рис.9.в).

К основным параметрам тиристоров относится :

-напряжение включения ;

-максимально допустимый прямой ток ;

-минимальный прямой ток через прибор в открытом состоянии;

-управляющий ток отпирания;

-управляющее напряжение отпирания;

-максимально допустимая мощность и др.

Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ.