Электроника / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

П2смещен в обратном направлении и его сопротивление значительно выше.

Подавляющая часть внешнего напряжения приложена к переходу П2,

поэтому вид характеристики на участке 0-а аналогичен обратной ветви ВАХ обычного диода.

Переходы П1 и П3приоткрыты и эмиттер p1 инжектирует дырки в базу n1, где они являются неосновными носителями и, диффундируя к переходу

П2, перебрасываются полем перехода в p2-базу, где они вновь относятся к числу основных носителей заряда. Дальнейшему движению дырок препятствует потенциальный барьер перехода П3. Принято говорить, что дырки попадают в «потенциальную яму» базы p2.

Аналогичный процесс происходит с электронами, инжектированными из эмиттера n2.

Особенность процессов на участке 0-а состоит в том, что обе базы остаются электрически нейтральными, объемный заряд каждой базы близок к нулю.

Полный ток через прибор iа образуется направленным движением

дырок и электронов
ia ip in IКБО ,	(3.1)

где ip – ток дырок, инжектированных эмиттером p1;

in – ток электронов, инжектированных эмиттером n2, которые дошли до перехода П2.

IКБО – обратный ток коллекторного перехода П2, состоящий из тока неосновных носителей – дырок n – базы и электронов p – базы.

ip	1 ia ;	(3.2)
in	2 ia ,	(3.3)

где α1 – коэффициент передачи тока дырок от эмиттера p1 до базы p2.

α2 – коэффициент передачи тока электронов от эмиттера n2 до n1.

Коэффициенты лежат в пределах от 0 до 1.

43

Тогда получаем следующее:

ia	IКБО			.	(3.4)
	1 (		)
	1	2

Тиристор закрыт поэтому in ≈ 0.

Участок а-б. Ток ia начинает возрастать, так как увеличивается ударная ионизация атомов в переходе П2. При этом:

ia			M IКБО			,	(3.5)
			M (		)
	1
			1	2

где М– коэффициент умножения электронов и дырок за счет ударной ионизации.

С ростом тока «потенциальные ямы»заполняются основными носителями зарядов. В базах образуется нескомпенсированный объемный заряд (в базе р2– положительный, в базе р1– отрицательный). Эти заряды снижают потенциальные барьеры переходов П1 и П3, ток основных носителей возрастает и растут значения коэффициентов α1 и α2, что приводит к еще большему увеличению тока инжекции. Таким образом действует внутренняя положительная обратная связь по току. В точке б этот процесс достигает состояния, когда M(α1 + α2) ≈ 1 и ток ia начинает возрастать лавинообразно.

Участок б-в. Нескомпенсированный объемный заряд баз p2 и n1

возрастает на столько, что смещает переход П2 в прямом направлении.

Напряжение на переходе П2 резко падает от величины равной UВКЛ (десятки и сотни вольт) до нуля, затем полярность напряжения меняется на противоположную (переход открыт) и падение напряжения на приборе составляет доли вольта.

На участке б-в происходит переход прибора из зарытого состояния в открытое. Дифференциальное сопротивление на этом участке отрицательное.

Процесс включения составляет от 1 до 100 мкс.

44

Участок в-г. Все переходы открыты, ток ограничивается сопротивлением нагрузки RН. Поскольку все переходы смещены в прямом направлении, то ВАХ прибора аналогична прямой ветви ВАХ диода.

Прибор открыт при Iуд ≤ iа ≤ Iоткр.max.

Если же iа<Iуд, то избыточные заряды в базах понизятся на столько, что переход П2 будет включен в обратном направлении. Срабатывает механизм внутренней положительной обратной связи по току и прибор включается за 5 ÷ 150 мкс.

Участок о-д. При смене полярности U (рисунок 3.1, полярность в скобках) переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении, а П2 в прямом. ВАХ прибора аналогична обратной ВАХ диода. При UОБР = UПРОБОЯ (сотни и тысячи вольт) происходит необратимый пробой структуры динистора.

3.2. Триодный тиристор

Тринистор отличается от динистора тем, что содержит управляющий вывод (УВ) от одной из баз (рисунок 3.3).

Тиристор, управляемый по дырочному эмиттеру имеет УВ от n1-базы.

Тиристор, управляемый по электронному эмиттеру, имеет УВ от р2-базы.

45

+-

						Ea			ia
		RН		П1		П2		П3
				p1	n1		p2	n2
		ia							Ua -

+ Ua

Uу

iу

Rу

iу

+ Eу -

Рисунок 3.3 - Структура триодного тиристора

При подаче напряжения от источника ЕУ переход П3 смещается в прямом направлении. В цепи источника ЕУ протекает ток управления iУ, а

через переход П3 течет iΣ = ia + iy.

Тогда ток через прибор определится как:

	iа ip in IКБО 2 ,							(3.6)
	откуда получаем
	iа		M IКБО 2iy				.
								(3.7)
			1 M (		2	)
			1

Следовательно, чем больше ток iУ, тем меньше напряжение Ua, при котором происходит включение тиристора, поскольку за счет тока iУ в базах,

накапливаются дополнительные объемные заряды (рисунок 3.3).

46

После включения тиристора ток iУ можно выключить, так как ток iа
будет поддерживать в базах объемные заряды. Вольт-амперная
характеристика тринистора представлена на рисунке 3.4.
i
Ea
Rн
iУ4 > iУ3 > iУ2 > iУ1 > iУ0 =0
Ea	Ua
Рисунок 3.4 - Семейство вольт – амперных характеристик триодного тиристора

Выключение тиристора происходит либо подачей UОБР, либо уменьшением iа до значения меньшего, чем Iудержания.

Тиристор осуществляет усиление сигнала. Поскольку входным является ток iУ составляющий десятки миллиампер, а выходным ток iа

достигающий сотен ампер, напряжение UУ также на 103 меньше, чем напряжение UH.

Поэтому общий коэффициент усиления прибора по мощности ≈106.

47

3.3. Симметричные триодные тиристоры (симисторы)

Симистор – триодный тиристор, который при подачи сигнала на управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. Структура симистора представлена на рисунке 3.5. Его ВАХ имеет центральную симметрию.

					-	А
						+ Ea
			Rу	iу	+Ey
	УВ
n1		n4	П5
П1
p1
П2
n2
П3
p2	n3		П4
ia	Rн
В	-Ea
	Рисунок 3.5 - Структура симистора

Источник EA смещает переходы П2 и П4 в прямом направлении, а

переход П3 в обратном и на него приходится большая часть напряжения источника EA.

Источник EУ смещает переход П5 в прямом направлении, который инжектирует электроны из слоя n4 в слой p1. Носители заряда диффундируют к переходу П2 и перебрасываются его полем в базу n2, здесь они накапливаются и снижают потенциальный барьер перехода П2.

48

Дырки диффундируют к переходу П3 и экстрагируются его полем в p2-

слой, далее они диффундируют в направлении включенного вывода В, минуя

переход П4.

Движение дырок через слой p2 создает на нем падение напряжения,

которое увеличивает прямое смещение перехода П4.

Это приводит к увеличению инжекции электронов из слоя n3 в слой p2

и дальнейшему их движению в слой n2, здесь они накапливаются, что еще

больше снижает потенциальный барьер перехода П2 и инжекция дырок из Р1

слоя в слой П2 еще больше возрастает.

При подачи на управляющий электрод напряжения E_У и увеличения

тока управления до IУ.ОТКР. срабатывает механизм внутренней положительной

обратной связи по току и правая половина структуры p1-n2-p2-n3

включается, то есть прибор переходит в открытое состояние. Ток iа течет в

направлении от А к В.

При смене полярности источника EA включается левая половина

структуры n1-p1-n2-p2, ток iа течет от В к А.

Вольт-амперная характеристика симистора представлена на рисунке

3.6.

ia

iУ3 > iУ2 > iУ1 > iУ0 =0

iУ0 < iУ1 < iУ2 < iУ3

Ua

Рисунок 3.6 - Семейство вольт – амперных характеристик симистора

49

Напряжение включения UВКЛ.MAX – прямое напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое при разомкнутом управляющем выводе UВКЛ.MAX = 10÷1000В и более.

Ток включения IВКЛ – прямой ток через тиристор, при котором прибор переключается в открытое состояние при разомкнутом управляющем выводе.

Отпирающий ток управления IУ.ОТ. – минимальный ток,

обеспечивающий включение тиристора при прямом напряжении на приборе.

Время включения tВКЛ – время, за которое ток через тиристор возрастает от 0 до 0,9 от установившегося значения, tВКЛ=1÷100 мкс.

50

ГЛАВА 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – это полупроводниковый прибор с электронно-

дырочными переходами, позволяющий осуществить усиление мощности электрического сигнала. Транзистор с двумя p – n – переходами и тремя выводами часто называют полупроводниковым триодом.

Работа биполярных транзисторов основана на управлении потоком носителей зарядов обоих знаков: положительных и отрицательных.

По характеру контакта в области электронно-дырочного перехода различают плоскостные и точечные транзисторы; устройство биполярного плоскостного полупроводникового триода типа p – п – рв упрощенном виде показано на рисунке4.1 (ориентировочные размеры элементов, приведенные на рисунке, соответствуют среднечастотному транзистору малой мощности).

	0.1 ÷ 0.2 мм	1
		2
4		6	÷ 1.0 мм
8	p		0.5
	p
5
		3
	n
7
	0.01 ÷ 0.03 мм

Рисунок 4.1 - Структура плоскостного биполярного транзистора сплавного типа (р-п-

р)1 — германий ;p – типа (база); 2—капля индия; 3— слой с проводимостью р – типа

(коллектор); 4 — слой с проводимостью р – типа (эмиттер); 5 — р—п переходы; 6 —

вывод коллектора; 7 — вывод базы (кольцо); 8 — вывод эмиттера.

51

Основой прибора служит тонкая пластинка монокристаллического примесного полупроводника (например, германия с примесью мышьяка)

обладающего электронной проводимостью (1 на рисунке 4.1). С двух сторон в нее вплавлены капли индия (акцептора по отношению к германию). В

процессе вплавления и рекристаллизации слой германия n – типа вблизи капель индия обогащается атомами акцептора и превращается в германий p –

типа (3 и 4 на рисунке 4.1). Проводимость среднего слоя германия 1 остается электронной. На границе раздела между слоями р – иn – типа возникают электронно-дырочные переходы (p – n – переходы) 5; переходы относятся к плоскостным, если их толщина значительно меньше остальных размеров(длины и ширины). Структура, состоящая из трех смежных слоев полупроводника чередующегося типа проводимости (на рисунке 4.1 –р–п–p),

и представляет собой транзистор. Капли индия играют роль невыпрямляющих (омических) контактов с областями р – германия, к ним привариваются внешние выводы прибора. Один из переходов транзистора

(обычно имеющий меньшую площадь) предназначается для управления потоком носителей внутри прибора. Этот управляющий переход называется эмиттерным, а прилегающая к нему крайняя область полупроводника (4 на рисунке 4.1)–эмиттером(название области связано с тем, что во время работы эмиттер через управляющий переход инжектирует носители зарядов в средний слой транзистора –базу 1 на рисунке 4.1).

Второй переход экстрагирует(извлекает) носители из области базы и называется коллекторным (собирающим), а примыкающий к нему крайний слой (5 на рисунке 4.1)–коллектором. Площадь коллекторного перехода обычно в два–три раза больше чем эмиттерного, это позволяет коллектору собирать инжектированные эмиттером носители, которые в области базы движутся по веерообразно расходящимся траекториям.

Типичное конструктивное оформление сплавного транзистора малой мощности схематически показано на рисунке 4.2,а. Активная часть прибора

(собственно транзистор) покрывается защитным компаундом 2 и помещается

52