Материал: TTE_Lect1

конденсатор C1 підзаряджається, а при відкритому VT1 живиться вихідний підсилювач верхнього плеча.

12.3.3 Транзистори з статичною індукцією

Це різновид потужних ПТУП з структурою, показаною на рисунку 12.9.

а) б) в)

Рисунок 12.9 – Структура ПТУП зі статичною індукцією (а), вигляд структури збоку (б), вихідні характеристики (в)

Вихідні характеристики ПТУП зі статичною індукцією не мають пологих ділянок, тобто вихідний опір приладів досить малий.

Транзистори мають дуже короткий канал і малу відстань від витоку до затвора (приблизно 10 мкм). Підвищення їх потужності забезпечується багатоканальною будовою і малими розмірами областей затвора, циліндричних за формою (діаметр приблизно дорівнює 25

мкм). При збільшенні напруги Ucв наростає струм стоку, обмеження якого не відбувається внаслідок того, що канал (область між затворами)

короткий, затвор малий, і збільшення Ucв призводить до зменшення

результуючої напруги на затворі стосовно витоку. Збільшення негативної напруги на затворі приводить до необхідності збільшення

напруги Ucв для компенсації запірної дії Uзв , і тому вихідні

характеристики при збільшенні Uзв зсуваються вправо.

171

ЛЕКЦІЯ 13

ТИРИСТОРИ

13.1 Будова, принцип дії та режими роботи тиристора

13.1.1 Загальні відомості Тиристором називають електроперетворювальний

напівпровідниковий прилад з трьома або більше p-n – переходами, ВАХ якого має ділянку негативного диференційного опору і який використовують для перемикання. Назва тиристор походить від двох слів: thyra (гр.) – двері та (re) sistor (англ.) – опір. Залежно від числа зовнішніх виводів розрізняють двоелектродний прилад – диністор, триелектродний – триністор і чотириелектродний – біністор. У двох останніх, крім анода і катода, є ще вхідні електроди (відповідно один у триністора і два у біністора).

Система позначень тиристорів (крім силових) складається з 6 елементів.

Перший елемент – буква або цифра, що вказує на матеріал виготовлення.

Другий елемент – буква, що визначає різновид тиристора: Н – діодні тиристори (диністори), У – тріодні тиристори (триністори).

Третій елемент – цифра, що визначає призначення тиристора згідно з таблицею 13.1.

Таблиця 13.1

призначення якого полягає в замиканні та розмиканні кола навантаження під дією зовнішніх сигналів.

Подібно до транзисторних ключів тиристор має два статичні стани – закритий, з високим внутрішнім опором, і відкритий, з малим опором. У кожному стані тиристор може перебувати як завгодно довго. Перехід від одного стану до іншого відбувається швидко (лавиноподібно) під дією короткочасного зовнішнього сигналу.

Рисунок 13.1 – Умовні позначення тиристорів на електронних схемах: а – диністор; б – триністор з керуванням за катодом; в – триністор з керуванням за анодом; г – симетричний тиристор (симістор)

13.1.2 Диністорний режим Структура диністора показана на рисунку 13.2, а.

Рисунок 13.2 – Структура (а) , транзисторна схема заміщення (б) та ВАХ тиристора у диністорному режимі

На рисунку 13.2 диністор увімкнено до кола разом із джерелом

напруги EA і навантаженням RН . Будемо вважати, що верхня p-

область чотиришарової структури диністора з’єднана з електродом, що називається анодом, а нижня n область з’єднана з катодом. Області тиристора називатимемо (зверху донизу) p-емітер, n-база, p-база, n-емітер.

173

При прикладенні зовнішньої напруги мінусом до анода і плюсом до катода емітерні переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у зворотному напрямі, і через прилад проходить малий зворотний струм двох послідовно з’єднаних p-n – переходів (ділянка I на ВАХ рисунку

13.2, в).

Якщо змінити полярність джерела напруги, то переходи ЕПI та ЕП2 вмикаються у прямому напрямі, а середній, колекторний перехід КП – у зворотному. Через емітерні переходи здійснюються інжекція дірок (через ЕП1) та електронів (через ЕП2) до відповідних баз. Майже вся зовнішня напруга падає на великому опорі КП. Збільшення цієї напруги призводить до подальшого зменшення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2 і збільшення інжекції через переходи. Дірки, інжектуючи через ЕП1, дифундують через n-базу, екстрагуються прискорювальним полем КП до області p-бази і накопичуються там, тому що подальша їх дифузія затримується гальмувальним полем ЕП2. Аналогічне відбувається і з електронами, які інжектують через ЕП2 до p-бази. Таким чином, у p-базі накопичується надлишковий позитивний заряд, а в n базі – надлишковий негативний заряд.

Процеси у тиристорі свідчать про появу внутрішнього позитивного зворотного зв’язку. Механізм його дії полягає у наступному. Збільшення інжекції дірок до n-бази через ЕП1 приводить до накопичення цих дірок у p-базі. Зростання позитивного заряду p-бази приводить до подальшого прямого зміщення ЕП2 і збільшення інжекції електронів через нього. Це явище, у свою чергу, сприяє зростанню негативного заряду n-бази і додатковому прямому зміщенню ЕП1. Внаслідок цього інжекція дірок з p-емітера через ЕП1 ще більше зростає і т.д.

При прямих напругах UA <Uвкл тиристор ще закритий, бо його опір – це фактично опір КП у зворотному вмиканні. Деяке зростання

струму анода IA при збільшенні анодної напруги UA на ділянці II

пояснюється збільшенням інжекції через переходи ЕП1 та ЕП2 при збільшенні на них прямих напруг, а також зменшення потенціального бар’єра КП внаслідок накопичення надлишкового заряду в базах.

При анодній напрузі UA =Uвкл різниця потенціалів між p- та n-

базою за рахунок попереднього накопичення зарядів дорівнює величині зовнішньої напруги на КП. На КП в цьому випадку діє нульова результуюча напруга, і перехід відкривається. Відбувається різке

174

зменшення внутрішнього опору тиристора і зростання анодного струму, що супроводжується зменшенням прямої напруги на приладі.

Цей спад напруги дорівнює сумі спадів напруги на трьох p-n - переходах, увімкнених у прямому напрямі (приблизно 0.7 В), спад напруги на n – базі (0.12 В) і спадів напруги на емітерах (приблизно 0.2

– 0.3 В). Таким чином, сумарний спад напруги на ввімкненому диністорі становить приблизно 1 В.

Отже, процес відкривання (ввімкнення) тиристора полягає в різкому зменшенні опору за рахунок прямого ввімкнення КП, збільшенні струму через прилад одночасно зі зменшенням спаду напруги. Ці обставини приводять до формування на ВАХ диністора ділянки з негативним диференційним опором (ділянка III на рисунку 13.2, в). Після закінчення процесу ввімкнення приладу робоча точка на ВАХ переходить на ділянку IV (рисунок 13.2, в).

Щоб унаслідок багаторазового зростання струму IA не відбулося руйнування кристалічної структури диністора, до кола послідовно з приладом і джерелом живлення вмикають навантаження. І тоді струм у колі з відкритим тиристором дорівнює

IA EA .

RH

Диністор у відкритому стані (ділянка IV на ВАХ) знаходиться доки, поки струм, що проходить через нього, підтримує у базах надлишкові заряди, які, у свою чергу, забезпечують відкритий стан КП.

Зниження струму IA до величин Iвимк приведе до того, що процес рекомбінації у базах почне відбуватися швидше, ніж процес накопичення, і КП знову ввімкнеться у зворотному напрямі.

Диністор може бути зображений у вигляді системи двох біполярних транзисторів p-n-p та n-p-n – типів (рисунок 13.2, б). На ділянці II ВАХ диністора (рисунок 13.2, в) обидва транзистори перебувають у активному режимі.

Збільшення зовнішньої напруги приводить до зростання

емітерного струму I1 p-n-p – ранзистора, збільшення його колекторного струму, тобто зменшення його внутрішнього опору. Внаслідок цього зростає позитивний потенціал бази n-p-n - транзистора, що також

175