Тема 1.7 Фототранзисторы

Фототранзистор – фотоэлектрический полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами, позволяющий преобразовывать световую энергию в электрическую с образованием фототока и усилением последнего. Конструктивно фототранзистор представляет структуру p-n-p или n-p-n типа, помещенную в металлический корпус с тремя выводами (эмиттер, база, коллектор) и окном для облучения области базы светом. На рис. 80 две схемы включения фототранзисторов: со свободной базой (рис. 80а) и со смещением в область базы (рис. 80б) необходимого для получения линейной характеристики, а на рисунке 81 семейство вольтамперных характеристик транзистора

В схеме на рис. 80а при отсутствии внешнего освещения Ф=0 через транзистор проходит небольшой сквозной ток коллектора I_КЭО, называемый темновым: I_КТ=I_КЭО=I_КБО(h_21Э+1).

При освещении базы Ф>0 в ней генерируются неравновесные пары носителей заряда электроны и дырки, которые диффундируют к эмиттерному и коллекторному переходам. Поле коллекторного перехода втягивает неосновные носители заряда, увеличивая фототок I_Ф, а следовательно и обратный ток коллектора I_К. Основные носители сталкиваясь в базе, понижают потенциальный барьер эмиттерного перехода, создавая условия для инжекции зарядов из эмиттера и следовательно еще большего приращения коллекторного тока

Основные параметры фототранзистора:

- Темновой ток I_КТ

- Интегральная чувствительность: в раз больше чем у светодиода.

- Коэффициент передачи по току .

Тема 1.8 Четырехслойные полупроводниковые приборы (тиристоры)

1.8.1 Общая характеристика и принцип действия тиристора

1.8.2 Разновидности тиристоров

1.8.1 Общая характеристика и принцип действия тиристора

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) это тиристор имеющий выводы только от двух крайних областей (рис. 82а).

Триодный тиристор (тринистор) – это тиристор, представляющий собой четырехслойную структуру типа pnpn (или npnp) имеющую вывод от двух крайних областей и от одной внутренней (базовой) области (рис.82б)

Анод

Анод

Катод

Управляющий электрод

Рис.82

а)

б)

На рисунке 83а изображен разрез структуры триодного тиристора (тринистора) включенного в электрическую цепь, а на рисунке 83б вольтамперная характеристика такого тринистора.

Е_а

R_н

Анод

Анод

Катод

Управляющий электрод

б)

n₁

n₂

n₃

A

K

U₁

U₂

U₃

I_ут

а)

Е_у

R

I_а

d

I_{отк.max.т}

I_у..max.т

I_у3т

I_у2т

I_уд.т

I_вкл.т

В

I_у1т

I_ут=0

U_а

U_обр

U_отк.т

U_{пр.зкр max}

I_обр

I_обр

Рис.83

б)

Анод

Анод

Управляющий элекрод

Катод

Катод

а)

б

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. 83а). 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. 83а). Это означает, что прямая ветвь ВАХ четырехслойной структуры имеет участок отрицательного сопротивления (участок аb на рис. 83б), 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. 83б) 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. 83б). 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.

1.8.2 Разновидности тиристоров

Т иристор – полупроводниковый элемент с тремя и более переходами и двумя выводами, один из которых называется анодом, а другой катодом. На рис. 84а разрез структуры, 84б – УГО, 84в – 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. 85) 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. 85а, 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. 86а, 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. 87. 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 88а; 88б; 88в.

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. 89а; 89б; 89в.

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.