Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)

Статическая характеристика передачи отражает зависимость:

.

Эта характеристика обычно приводится для режима насыщения. Характер статической характеристики передачи ясен из принципа действия транзистора с индуцированным каналом (рис. 4.26).

МДП-транзисторы со встроенным каналом

В МДП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления технологическим путем между областями стока и истока создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока. Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами), и его проводимость будет увеличиваться, ток стока также.

При подаче на затвор отрицательного напряжения происходит приток дырок из глубины полупроводника к каналу, и выталкивание из него электронов. Сопротивление канала увеличивается, а ток стока уменьшается. При некотором положительном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U_зи.отс), происходит инверсия типа электропроводности канала, иn-области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводникаp-типа. Ток стока уменьшится до значения, равного значению обратного токаp-n-перехода.

Следовательно, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

Статические характеристики мдп-транзистора со встроенным каналом

Выходные (стоковые) характеристики и характеристики передачи МДП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рис. 4.27).

Статические дифференциальные параметрыS, R_iопределяются с помощью построений на статических характеристиках, а коэффициент µ находят по внутреннему уравнению:

.

Как и в транзисторах с управляющим p-n-переходом параметры имеют тот же физический смысл и примерно те же значения, но входное сопротивление (R_зи) на несколько порядков больше входного сопротивления транзисторов с управляющим переходом и может составлять 10¹² ...10¹⁴Ом.

Максимально допустимые параметры полевых транзисторов

Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся:

• максимально допустимые напряжения:

затвор – исток (U_{зи max});

затвор – сток (U_{зс max});

сток – исток (U_{си max});

сток – подложка (U_{сп max});

исток – подложка (U_{ип max});

затвор – подложка (U_{зп max});

• максимально допустимый постоянный ток стока (I_{с max});

• максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность (Р_max).

5. Тиристоры

5.1. Классификация тиристоров

Тиристор– это полупроводниковый прибор с тремя и болееp-n-переходами, предназначенный для преобразования электрического тока, в вольт-амперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры являются ключевыми приборами, т.е. могут длительное время находиться в одном из устойчивых состояний равновесия: прибор включен или прибор выключен.

В зависимости от числа внешних электродовразличают тирис­торы:

• диодные (динисторы), имеющие два электрода;

• триодные (тринисторы), имеющие три электрода;

• тетродные, имеющие четыре электрода.

В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направленияхтиристоры разделяются на однопроводящие и двухпроводящие (симметричные тиристоры или симисторы).

По мощноститиристоры делятся на маломощные (I_ср< 0,3 А), средней мощности (I_ср< 10 А) и силовые (I_ср> 10 А).

Тиристоры малойи средней мощности имеют маркировку, состоящую из шести элементов:

• первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал, из которого изготовлен тиристор (например, К или 2 – кремний);

• второй элемент (буква) обозначает тип тиристора: Н – диодные, У – триодные;

• третий элемент (цифра) характеризует тип и мощность тиристора:

• диодные: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности;

• триодные: 1 – незапираемые малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – запираемые малой мощности, 4 – средней мощности, 5 – симметричные незапираемые малой мощности, 6 – средней мощности;

• четвертый и пятый элементы (цифры) обозначают порядковый номер раз­работки от 01 до 99;

• шестой элемент (буква) обозначает разновидность данной группы тиристоров, отличающихся одним или несколькими пара­метрами, не являющимися классификационными.

Силовые тиристорыимеют марки­ровку, состоящую из четырех элементов:

• первый элемент состоит из 1 – 4 букв, указывающих:

• первая – на принадлежность тиристоров к классу силовых (Т);

• вторая – на принадлежность тиристора к группе лавинных (Л), симметрич­ных (С), высокочастотных (Ч), импульсных (И), с повышенным быстродействием (Б), с улучшенными динамическими свойствами (Д);

• третья – Л (лавинный) – присваивается специализированным тиристорам, относящимся также к группе лавинных (например, ТЧЛ – тиристор высокочастотный лавинный);

• четвертая (В) - что тиристор имеет водяное охлаждение.

При наличии нескольких конструктивных исполнений тиристора одного типа буквенная часть первого элемента дополняется цифрой;

• второй элемент (числовой) соответствует предельному значению прямого тока в амперах, проходящего через тиристор, при указанных в паспорте условиях эксплуатации;

• третий элемент (числовой) определяет класс прибора. Число, характеризующее класс тиристора, равно предельному значению амплитуды повторяющегося напряжения в вольтах, деленному на 100;

• четвертый элемент состоит из трех цифр, характеризующих: первая – допустимую скорость нарастания прямого напряжения (du/dt); вторая – время выключения (t_выкл); третья – допустимую скорость нарастания прямого тока (di/dt).

5.2. Диодные тиристоры (динисторы)

Диодный тиристор (рис. 5.1) – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления. Основой наиболее простого из семейств тиристоров является четырехслойная полупроводниковая структурар-n-р-n-типа (рис. 5.2). Крайние области структуры называются эмиттерами, а центральные – базами. Электрод, присоединенный к р-эмиттеру, называютанодом(А), а электрод, присоединенный кn-эмиттеру –катодом(К). Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов.

При подаче на тиристор прямого напряжения т.е. положительного потенциала на анод, крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, средний переход смещен в обратном направлении. Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора (рис. 5.3) похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение, и на эмиттерных переходах электроны, инжектированные изn-эмиттера в р-базу диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу.

Дальнейшему продвижению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной n-яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера вn-базу.

Инжектированные из р-эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р-базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е. в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е. увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е. суммарное напряжение на коллекторном переходе будет уменьшаться. При U_a =U_вклвнутренняя положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс инжекции носителей заряда из эмиттеров, и коллекторный переход (КП) оказывается смещенным в прямом направлении. Сопротивление динистора уменьшается, а ток скачком увеличивается. При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается.

Таким образом, при подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.

Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. Участок 1 (см. рис. 5.3) от значения U = 0 до напряжения включения U = U_вкл соответствует малым токам, т.е. за­крытому состоянию тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора r_диф = dU / dI положи­тельно. В пределах участка 2 – 3 значение дифференциального сопротивления r_диф отрицательно. Увеличение тока вызывает умень­шение напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению тока и т.д. Режим, соответствующий этому участку вольт-амперной ха­рактеристики, неустойчив.

Тиристор спонтанно переходит на участок 3 – 4 вольт-амперной характеристики, соответствующий откры­тому состоянию, при котором дифференциальное сопротивление вновь становится положительным. Этот участок имеет вид, аналогичный прямой ветви характеристики обычного диода.

Открытое состояние соответствует участку 3 – 4 (см. рис. 5.3). В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (I_уд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, тиристор закроется. Таким образом,I_уд– это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов (рис. 5.4). Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:

,

где α_1, α₂– статические коэффициенты передачи тока транзисторов;– это токи через 1-й, 2-й, 3-й р-n-переходы соответственно;– обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистора) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой: