Материал: Физические основы электроники

t

Рис. 4.16. Процесс запирания IGBT

Контрольные вопросы и задания

1.Какие разновидности полевых транзисторов существуют?

2. Почему полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом не должны работать при прямом напряжении на входе U зи?

3.Почему при изменении напряжения Uси толщина канала вдоль его длины меняется неодинаково?

4.Чем отличается полевой транзистор с изолированным затвором от транзистора с управляющим p–n-переходом?

5.Чем отличаются структуры МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналом? Как это отличие отражается на статических характеристиках?

6.Нарисуйте и объясните управляющие и выходные характеристики полевого транзистора.

7.Дайте сравнительную характеристику МДП- и биполярного транзистора.

8.Что такое комбинированный транзистор?

9.Какие преимущества биполярных и полевых транзисторов сочетает в себе IGBT?

161

5. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя или более взаимодействующими p–n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором (динистором). Тиристор, имеющий два основных вывода и один управ-

ляющий вывод, называется триодным тиристором (тринистором).

Тиристор, имеющий симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику, называется симметричным тиристором (симистором).

На рис. 5.1 представлены конструкции тиристоров различной мощности и назначения.

Рис. 5.1. Конструкции тиристоров:

а – дискретное исполнение; б – модульное исполнение

5.1. Динисторы

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1 n1 p2 n2 (рис. 5.2, а). На грани-

цах раздела этих областей возникнут p–n-переходы: крайние переходы П1 и П3 называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, –

эмиттерами; средний p–n-переход П2 называется коллекторным. Внутренние n1- и p2 -области структуры называются базами. Область p1, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n2 – катодом (К).

162

Рис. 5.2. Структура динистора (а)

и его условное графическое обозначение (б)

Рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре при подаче прямого напряжения, т. е. «+» на анод, «–» на катод. В этом случае крайние p–n-переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, средний пере-

ход П2 смещен в обратном направлении. Соответственно динистор

можно представить в виде двухтранзисторной структуры (рис. 5.3). Так как переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, из них в обла-

сти баз инжектируются носители заряда: дырки – из области p1, электроны – из области n2 . Эти носители заряда диффундируют в областях баз n1 и p2 , приближаясь к коллекторному переходу, и перебрасываются его полем через переход П2 . Дырки, инжектированные из области p1, и электроны – из области n2 движутся через переход П2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I .

Рис. 5.3. Структура (а)

и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (б)

163

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П2 . Поэтому к переходам П1 и П3 ,

имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П2 .

IА Imax

3

Iуд

2

Iвкл Uоткр 1

Рис. 5.4. Вольт-амперная характеристика динистора

При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно. При дальнейшем увеличении напряжения, по мере увеличения ширины перехода П2 , все большую роль начинают играть

носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами p–n-перехода П2 ионизи-

руют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p2 , а электроны – в область n1. Ток через переход П2 увели-

чивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1 и П3 и увеличению инжекции через них, что вызывает

дальнейший рост коллекторного тока и токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно, и сопротивление перехода П2 становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 5.4). После переключения вольт-амперная характери-

164

стика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока Imax , при котором на приборе будет небольшое напряже-

ние Uоткр. Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током Iуд, ток резко уменьшает-

ся, а напряжение резко повышается, т. е. динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением включения U вкл .

При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный переход П2 смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы –

в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток.

5.2. Триодные тиристоры

Триодный тиристор (тринистор) отличается от динистора наличием вывода от одной из баз. Этот вывод называется управляющим электро-

дом (рис. 5.5).

Uвн

Рис. 5.5. Структура тринистора

Если подключить внешний источник Uвн так, как показано на рис. 5.5, то получим, что p–n-переходы П1 и П3 будут смещены внешним источником в прямом направлении, а средний p–n-переход П2 бу-

дет смещен в обратном направлении, и во внешней цепи будет протекать только исчезающе маленький обратный ток коллекторного перехода П2 . Подключим другой внешний источник U у (источник

управления) между катодом и управляющим электродом (УЭ). Тогда

165