3. Схема включения и вольтамперная характеристика динистора

Н а рис. 4 показано подключение динистора VD к источнику постоянного напряжения Е через нагрузочное сопротивление R. Включение динистора (перевод в открытое состояние) и выключение (перевод в закрытое состояние) достигается путем изменения величины или полярности напряжения питания.

Прямая ветвь вольтамперной характеристики (U_а > 0), показанная на рис. 3, имеет три участка:

1. участок ОА, для которого характерно наличие малых токов при большом прямом напряжении;

2. участок АВ отрицательного дифференциального сопротивления dU_a /dI < 0;

3. участок ВС, аналогичный прямой ветви вольтамперной характеристики кремниевого диода.

При увеличении напряжения питания Е от 0 до U_вкл ток в приборе очень мал (точка пересечения F нагрузочной прямой с линией ОА вольтамперной характеристики). В момент, когда рабочая точка F достигает точки А на вольтамперной характеристике, ток в приборе быстро возрастает. Динистор переходит в открытое состояние. Рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в положение Н. Падение напряжения на динисторе мало, и практически все напряжение питания приложено к нагрузочному сопротивлению U_R  E. Теперь при уменьшении E рабочая точка G будет перемещаться по ветви ВС вольтамперной характеристики. Выключение динистора произойдет, если напряжение питания уменьшится практически до нуля E  0 или сменит знак E < 0. Мощность, рассеиваемая динистором в открытом и закрытом состояниях, является малой, так что прибор аналогичен переключающему устройству, срабатывающему, когда напряжение на нем достигает определенной величины U_вкл.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики динистора (рис. 3) аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики кремниевого выпрямительного диода.

4. Физические процессы в динисторе

Структуру p-n-p-n можно представить в виде двух соединенных транзисторов p-n-p и n-p-n типов (рис. 5,а и б) с коэффициентами передачи токов _p и _n. При таком сочленении транзисторов средний слой n₁ выполняет одновременно роль базы первого транзистора и роль коллектора второго транзистора, а средний слой p₂ выполняет роль базы второго транзистора и одновременно роль коллектора первого транзистора. Переходы П₁ и П₃ являются эмиттерными соответственно у первого и второго транзисторов. Центральный переход П₂ является общим коллекторным переходом у обоих транзисторов.

При приложении к динистору внешнего напряжения указанной на рис. 4 полярности, высота потенциального барьера среднего перехода П₂ резко возрастает, а высота потенциальных бартеров левого П₁ и правого П₃ переходов несколько снижается.

Прямое смещение эмиттерного перехода П₁ приводит к инжекции дырок в базу n₁ (рис. 6), создающих эмиттерный ток I_эр. Диффундируя через слой n₁, дырки частично рекомбинируют с электронами. Оставшаяся часть дырочного потока экстрагируется через коллекторный переход П₂ в базу р₂, образуя дырочную составляющую тока коллектора I_эр_р.

Повышение концентрации дырок в базе р₂ приводит к понижению высоты потенциального барьера П₃ и инжекции электронов из эмиттера n₂ в базу р₂, создающих эмиттерный ток I_эn. Электроны диффундируют через базу р₂ и экстрагируются через коллекторный переход П₂ в базу n₁, образуя электронную составляющую тока коллектора I_эn_n.

Часть электронов, инжектированных эмиттером n₂, рекомбинирует в базе р₂. Условие электрической нейтральности требует, чтобы число дырок, вошедших в слой р₂, было равно числу электронов, рекомбинировавших при движении через базу р₂:

.                          (1)

Отсюда электронный ток второго эмиттера

.                             (2)

Аналогично из условия электрической нейтральности базы n₁ можно написать:

.                             (3)

Множители _p и _n представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n₁ и p₂ .

Таким образом, каждый эмиттер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эмиттера. Этим создаются все необходимые предпосылки для лавинного процесса. Однако лавинный процесс роста тока начинается только при некотором достаточно большом напряжении U_а на структуре (рис. 4).

Кроме зарядов, вносимых в каждую из баз динистора рекомбинационными и транзитными составляющими токов, в общем балансе зарядов в базах принимают также участие неосновные носители, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Потоки неосновных носителей образуют дырочную I_кp и электронную I_кn составляющие обратного тока коллекторного перехода. Сумма этих составляющих образует полный обратный ток коллекторного перехода:

I_к = I_кp + I_кn.                       (4)

При учете всех составляющих тока (рис. 6) баланс зарядов в базах n₁ и р₂ определяется следующими равенствами:

I_эn_n + I_кn = I_эр(1 – _p) – I_кp.                         (5)

              I_эp_p + I_кp = I_эn(1 – _n) – I_кn.

При малых уровнях инжекции через эмиттерные переходы П₁ и П₃ инжектированные дырки и электроны практически все рекомбинируют в базах. Коэффициенты передачи дырочных и электронных токов через базы n₁ и p₂ много меньше единицы: _p << 1 и _n << 1. Через структуру протекает ток, приблизительно равный обратному току коллекторного перехода:

.                         (6)

Увеличение напряжения U_а, приложенного к структуре, вызывает расширение коллекторного перехода и соответственно уменьшение толщины базовых слоев n₁ и p₂. Следствием этого является рост транзитных составляющих дырочного I_эp_p и электронного I_эn_n токов через коллекторный переход, увеличение коэффициентов _p и _n. Зависимости коэффициентов _p и _n от тока I через динистор показаны на рис. 7,а. Более низкие значения коэффициента _p по сравнению с _n объясняются большей толщиной базы n₁ по сравнению с базой p₂ (в толстой базе число актов рекомбинации больше, чем в тонкой).

В силу непрерывности токов ток анода динистора I = I_эp = I_эn равен полному току через коллекторный переход:

.                  (7)

. (8)

Соотношение (8) позволяет определить условие быстрого роста тока через структуру. При приближении тока через прибор к величине I_вкл (рис. 7,а) сумма коэффициентов (_p + _n)  1 и ток через прибор должен лавинообразно нарастать I  , что для некоторой величины напряжения U_вкл равносильно условию равенства нулю дифференциального сопротивления:

. (9)

Это значит, что в этой точке происходит изменение знака производной dU_а /dI или переход от области положительного дифференциального сопротивления (участок ОА на вольтамперной характеристике рис. 7,б) к области отрицательных дифференциальных сопротивлений (участок АВ вольтамперной характеристики). Неограниченному росту тока препятствует резистор R, через который динистор подключен к источнику напряжения.

Аналогично второй изгиб характеристики (точка В) при I = I_выкл также характеризуется изменением знака дифференциального сопротивления dU_а /dI (_p + _n = 1). С дальнейшим ростом тока сумма (_p + _n) будет превосходить единицу. В этом случае переход П₂ является глубоко насыщенным, падение напряжения на нем стремится к нулю и меняет знак.

Характерными величинами, принятыми в качестве основных параметров динистора, являются:

1. Максимальное прямое напряжение на динисторе, называемое напряжением включения U_вкл и определяемое как напряжение, при котором dU_а /dI = 0.

2. Ток включения I_вкл, определяемый как максимальный прямой ток через динистор в закрытом состоянии при dU_а /dI = 0.

3. Минимальное прямое напряжение на динистое в открытом состоянии, при котором dU_а /dI = 0, называемое напряжением выключения U_выкл.

4. Ток выключения I_выкл, который характеризуется минимальным значением тока через динистор, находящийся в открытом состоянии.

5. Остаточное напряжение U_ост, т. е. падение напряжения на динисторе в открытом состоянии при максимально допустимом токе через динистор I_max.

6. Ток утечки I_ут, определяемый как ток через динистор в закрытом состоянии при напряжении, равном U_вкл /2.

7. Предельно допустимое обратное напряжение U_{обр.доп}.

8. Ток утечки в обратном направлении I_обр.ут, соответствующий предельно допустимому обратному напряжению.

Так как полярность напряжения на переходе П₂ при открытом динисторе противоположна полярности напряжений на переходах П₁ и П₃ (рис. 2,г), суммарное падение напряжения в динисторе (без учета падения напряжения в базах и эмиттерных слоях) примерно такое же, как в диоде, имеющем только один p-n-переход.

В качестве максимального значения прямого тока динистора принимается I_max, который ограничен допустимыми потерями электрической мощности в приборе, преобразующейся в тепло. Это тепло прибор должен рассеять при допустимой температуре нагрева кристалла полупроводника.