Транзисторы и тиристоры

Рассмотрим устройство и работу других полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы, имеющие три слоя полупроводников, разделенных двумя запирающими слоями, и три электрода, называют триодами, или чаще транзисторами. (От английских слов transfer — передача и resistor — сопротивление, т. е. транзистор — передающее сопротивление). Один из видов транзисторов, схема которого показана на рис. 235, а, представляет  собой  тонкую  пластинумонокристаллического германия с вплавленными в нее с двух сторон столбиками   из   индия.

Рис. 235. Схемы транзисторов и их условные обохначения: а - транзистор типа p-n-p; б - транзистор типа n-p-n

В пластине германия на границе с индием образуются два р-n перехода, обладающих запирающими свойствами. Следовательно, германиевый триод состоит из крайних слоев с р-проводимостыо и среднего с n-проводимостью. Такой прибор получил название транзистора типа p-n-р. К каждому слою присоединяют электроды — вывод для соединения с внешней цепью. Соберем электрическую схему, показанную на рис. 235, а. Один из крайних слоев транзистора (левый) соединим с источником постоянного тока в проводящем направлении его перехода. Этот слой при работе прибора является основным источником носителей электрических зарядов и получил название  эмиттера. (От латинского слова  emittere —  испускать,   излучать).  Средний слой германиевой пластины с n-проводимостью называютбазой. Второй крайний слой транзистора соединим с другим источником постоянного тока в непроводящем направлении прилегающего к нему перехода. Носители заряда,  испускаемые эмиттером, проходят через базу, переход р-n и поступают в слой    коллектора.(От латинского     слова  collector — собирающий).Таким образом, коллектор является собирателем носителей заряда,  обеспечивающих прохождение тока в цепи второго источника тока. При  этом источник электрической энергии в  цепи коллектора имеет э.д.с. Ек,  которая во  много раз  превосходит  э.д.с.  Еэ  источника  энергии в  цепи    эмиттера. Небольшая  э.д.с. Еэ вполне достаточна для создания тока   необходимого  значения в  цепи эмиттера, так как прямое сопротивление  его перехода  является ничтожным. При отсутствии  тока эмиттера практически не будет протекать ток и в цепи коллектора из-за большого обратного сопротивления перехода в ней. Если с помощью регулируемого резистора увеличивать ток Iэ в цепи эмиттера, то возрастает число носителей заряда, испускаемых эмиттером, и повышается сила тока Iк в цепи коллектора. Иными словами, с увеличением тока эмиттера снижается электрическое сопротивление коллекторного перехода. Поэтому с помощью маломощной входной цепи эмиттера легко управлять значительно более мощной выходной цепью коллектора. Электрическая мощность этих цепей пропорциональна э.д.с. их источников энергии. В рассмотренной схеме база транзистора является общей для цепей эмиттера и коллектора, а сам транзистор представляет собой полупроводниковый усилитель мощности. В электрических схемах находят применение и два других способа включения транзистора: с общим эмиттером и общим коллектором, в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной электрических цепей. Например, схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление  по  току  в  выходной  цепи. Кремниевые транзисторы изготавливаются в виде триодов типа n-р-n. Средний слой транзистора состоит из монокристаллического кремния с р-проводимостью, два крайних слоя имеют n-проводимость. Поскольку проводящие направления переходов при этом изменились на противоположные по сравнению с транзистором типа   р-п-р,  то   необходимо  изменить и полярность включения источников электроэнергии во входной и выходной цепях (рис. 235, б). Устройство мощного кремниевого транзистора показано на рис. 236.

Рис. 236. Кремниевый транзистор: а - продольный разрез; б - общий вид

Способы использования германиевых и кремниевых транзисторов являются одинаковыми, изменяется лишь схема их включения в электрические цепи с учетом полярности источников энергии. Тиристором называется полупроводниковый прибор, состоящий из четырех слоев полупроводников, разделенных тремя р-n переходами (рис. 237). Входной электрод тиристора называют анодом, выходной -—катодом. Полупроводниковый слой, к которому присоединен электрод управляющего тока, составляет, как и в транзисторе — базу. Проводящее направление тиристора — от анода к катоду. Поэтому тиристор своим анодом соединяется с плюсовым зажимом источника тока, катод — с минусовым. При этом средний переход П2 включен в непроводящем направлении.

Рис. 237. Тиристор: а - общий вид; б- продольный разрез; в - схема; г - условное обозначение

Тиристор, как и обычный диод, практически не пропускает ток внешней цепи, или говорят — тиристор заперт. Повышая приложенное к тиристору внешнее напряжение, можно достигнуть критического его значения, когда происходит лавинный пробой перехода и тиристор отпирается. Во внешней цепи протекает большой силы ток, ограничиваемый лишь ее сопротивлением. Для правильно сконструированного тиристора лавинный пробой и большая сила тока не представляют опасности, так как энергия, выделяющаяся в переходе П2, весьма мала.   При   изменении  направления входного напряжения на обратное происходит восстановление первоначальных свойств перехода П2, и тиристор запирается. Обратное напряжение делится поровну между переходами П1 и П73, поэтому их пробоя не происходит, и тиристор практически не пропускает обратного тока. При подаче напряжения на управляющий электрод базы появляется ток управления, цепь которого замыкается через катод. Регулируя величину тока управления можно в широких пределах изменять значение напряжения, при котором тиристор открывается. Таким образом, тиристор является управляемым полупроводниковым вентилем. Мощность, расходуемая в цепи управления тиристором, составляет 1—2 Вт, а мощность силовой цепи достигает нескольких сотен киловатт. Поэтому тиристор представляет собой преобразователь с высоким коэффициентом полезного действия. Тиристор обладает почти мгновенным быстродействием, надежен при высокой частоте срабатываний. Применение тиристоров позволило создать электрические устройства для управляемого выпрямления переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный или частоты переменного тока. Тиристорными преобразователями оборудованы опытные, тепловозы для регулирования частоты тока, питающего асинхронные тяговые электродвигатели, с целью изменения скорости движения поезда. Тиристоры широко используются в самых различных устройствах автоматики современных тепловозов.