Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы полевого транзистора с p-n-переходом и его статистические характеристики.

2. Объяснить принцип работы полевого транзистора с изолированным за­твором.

3. Какие разновидности МДП-транзисторов вы знаете? Поясните физиче­ские явления, на основе которых эти транзисторы работают.

4. Какой участок характеристик полевого транзистора используется в усилителях?

5. Какой участок характеристик транзистора используется в управляе­мых делителях напряжения?

6. Нарисуйте схему управляемого делителя напряжения.

7. Представьте схему генератора стабильного тока на полевом транзи­сторе.

8. Объясните эквивалентную схему полевого транзистора для малого сиг­нала.

9. Почему входное сопротивление полевых транзисторов очень большое?

6. Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, с тремя и более p-n-пере­ходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференци­альным сопротивлением (рис. 6.1).Тиристор представляет собой элек­тронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обла­дающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Основой большинства тиристоров служит четырехслойная структура типа p₁-n₁-p₂-n₂. Крайние области и переходы 1-й и 3-й структуры (рис. 6.2) на­зывают эммитерными, центральный переход 2 – коллекторным, а области n₁ и p₂ – базами.

Рис. 6.1 Рис. 6.2

Толщина областей тиристора различна, а концентрация примесей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от n-эмиттера именуют катодом, от p-эмиттера – анодом.

Действие диодного тиристора (динистора) обусловлено физическими процессами в p-n-переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного напряжения на анод (рис. 6.2) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 – в прямом. Проис­ходит инжекция носителей через открытые переходы – дырок из области p₁ в базу n₁, электронов – из n₂ в p₂. Одновременно через открытые пере­ходы инжектируются встречные потоки носителей – электронов из базы n₂ в p₁ и дырок из базы p₂ в область n₂. Однако концентрация основных но­сителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пре­небречь.

Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через пере­ход 2, включенный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собст­венный обратный ток, обусловленный неосновными носителями в базах n₁ и p₂. В результате ток коллекторного перехода 2:

I₂ =₁I₁ + ₂I₃ + I₀₂ (6.1)

где I₁, I₃ – токи соответственно первого и третьего переходов; ₁, ₂ – коэффициенты передачи тока соответственно через n₁- и p₂-базы; I₀₂ – собственный обратный ток перехода 2.

Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анодному току: I_а = I₁ = I₂ = I₃. То­гда, используя формулу (6.1), получим

I_а = I₀₂ / [1–(₁ + ₂)]. (6.2)

Коэффициенты передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между p-n-переходами пропорцио­нально их сопротивлениям. Так как сопротивления открытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого пере­хода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При небольших напряжениях анода прямое смещение на переходах 1 и 3 невелико и токи I₁ и I₃ составляют несколько микроампер. При таких токах эмиттера коэф­фициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода неве­лико, сумма (₁ + ₂) << 1 и анодный ток определяется собственным обрат­ным током коллекторного перехода I₀₂.

С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на переходах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области n₂, пере­ходят через переход 2 в базу n₁ и создают там неравновесный отрица­тельный заряд, снижающий ее потенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью p₁- в n₁-базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в p₂-базу, увеличивают ее положительный по­тенциал и соответственно инжекцию электронов из области n₂. Таким об­разом, в структуре динистора начинает действовать внутренняя положи­тельная обратная связь, развивается регенеративный процесс, который ведет к самопроизвольному увеличению анодного тока.

При анодном напряжении, равном U_вкл, процесс регенерации усилива­ется, сумма ₁ + ₂ приближается к единице и ток динистора резко возрас­тает.

Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер перехода 2, компенсируются динамическими неравновесными за­рядами электронов и дырок в p₂- и n₁-базах. В результате этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, на­чинается перераспределение напряжения источника Е_а.

Тиристор переходит в неустойчивый режим 2, где он имеет отрица­тельное дифференциальное сопротивление, а затем скачком – в режим 3, cоответствующий устойчивому открытому состоянию динистора (см. рис. 6.1). В этом режиме падение напряжения на приборе определя­ется суммой падений напряжений на трех p-n-переходах, смещенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом режиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки I_a.

Перевод закрытого динистора в открытое состояние – обратимый про­цесс. При снижении тока динистора объемные заряды носителей в базах оказываются недостаточными для компенсации потенциального перехода 2, процесс развивается в обратной последовательности и динистор пере­ключается в закрытое состояние. Время выключения определяется про­цессами рассасывания и рекомбинации подвижных носителей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 6.3).

При подаче в цепь управляющего электрода токаi_y ток через эмиттер­ный переход ЭП1 увеличивается, следовательно, условие перехода тири­стора из закрытого состояния в открытое (₁ + ₂), будет достигаться при меньшем напряжении включенияU_вкл (см. рис. 6.1). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_y, можно изменять величину напря­жения включения U_вкл. Некоторые маломощные тиристоры можно и вы­ключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода.

В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характе­ристика симметрична (рис. 6.4, а).

Рис. 6.4

Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и назы­ваются симисторами (рис. 6.4, б).

Тиристоры находят широкое применение в устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения ко­рот­кими импульсами тока управляющего электрода. К недостаткам тири­сто­ров следует отнести значительно большие времена переключения.