1.4.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл,

окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП – транзисторы могут быть двух видов:

1. Транзисторы со встроенным каналом

2. Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзистор со встроенным каналом и изолированным затвором

Основой такого транзистора является кристалл кремния p- или n-типа проводимости.

Рис. 1.25 Конструкция и УГО полевого транзистора со встроенным каналом n-типа и изолированным затвором

Принцип действия.

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП – транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения (напряжение затвор-исток положительное), так и в режиме обеднения зарядов (напряжение затвор-исток отрицательное).

Рис. 1.26 Переходная характеристика МОП транзистора с каналом n-типа

В МОП – транзисторе с каналом p-типа меняются области полупроводника и подводимые напряжения.

1.4.3 Транзистор с индуцированным каналом и изолированным затвором

В транзисторе с индуцированным каналом первоначально канал отсутствует, а создается при положительном напряжении затвор-исток

Рис. 1.27 Конструкция и УГО полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа и изолированным затвором

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носители заряда подложки p-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток.

Вывод: МОП – транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения (положительном напряжении затвор-исток).

Рис. 1.28 Переходная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа и изолированным затвором

Все МОП – транзисторы обладают бόльшим входным сопротивлением, чем транзисторы с управляемым переходом. R_ВХ = (10¹³ . 10¹⁵) Ом.

1.5 Тиристор

1.5.1 Принцип действия тиристора

Тиристор - элемент с четырехслойной полупроводнико­вой структурой.

а) б) в) г)

Рис. 1.29 а), б) – структура тиристора; в) транзисторная схема замещения;

г) – УГО.

В статическом режиме тиристор может находиться в трех состояниях:

• Запертое состояние при отрицательном напряжении на аноде от­носительно катода. Переходы база-эмиттер обоих транзисторов находятся под обратным напряжением.

• Запертое состояние при положительном напряжении на аноде от­носительно катода. Оба транзистора закрыты. Обратные токи коллекторов недостаточны для отпирания транзисторов.

• Открытое состояние. Если транзистор VT1 открылся, например напряжением управления, то его коллекторный ток, являясь базовым током транзистора VT2, открывает транзистор VT2, который своим коллекторным током поддерживает в открытом состоянии транзистор VT1.

После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Тиристор может выключиться самостоятельно в том случае, когда анодный ток станет меньше тока удержания. Обычно считается, что ток удержания равен нулю. Однако в некоторых случаях, для точ­ных расчетов, его следует учитывать.

Вольт-амперная характеристика тиристора при­ведена на рис. 1.30.

При увеличении тока управления снижается на­пряжение включения. Таким образом, тиристор является прибором с управляемым напряжением включения.Основные параметры тиристора во включенном состоянии повторяют параметры диода.

К предельно допустимым параметрам тиристо­ра относятся:

• Допустимый прямой ток I_ПР.ДОП;

• Допустимое обратное напряжение U_{ОБР.ДОП}=(0.5-0,75)U_ОБР.ПР;

• Допустимое прямое напряжение U_ПР.ДОП=(0.5-0,75)U_ПР.ПР.

Рис. 1.30 Воль-амперные характеристики тиристора

К динамическим параметрам относятся время включения t_ВКЛ и вык­лючения t_ВЫКЛ. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления на начальном участке — его амплитуда I_YMAX, длительность и скорость нарастания отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают быстрое и надеж­ное включение тиристора. При включении тиристора после подачи импульса тока на управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора

Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки t_ЗАД, которое зависит от амплитуды импульса тока уп­равления I_Уmax на начальном участке. В течение времени задержки ток в тиристоре нарастает до значения тока удержания I_УД. При достаточно большом токе уп­равления время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1...2 мкс).

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем нарастания t_НАР. После включения тиристора амп­литуда импульса тока управления может быть значительно уменьшена.

Процесс выключения тиристора складывается из трех фаз (Рис. 1 2.7):

1. фаза нарастания обратного тока через тиристор t₁;

2. фаза спада обратного тока до нуля (t₂);

3. фаза восстановления запирающих свойств тиристора (t₃).

Только спустя время выключения t_ВЫКЛ=t₁+t₂+t₃ к тиристору мож­но повторно прикладывать прямое напряжение.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери при протекании прямого тока рассчитываются так же, как в диодах.

Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от спо­соба включения и выключения тиристора.

Способы выключения тиристора (способы коммутации) можно раз­делить на два: коммутация от сети (естественная); искусственная коммутация, которая, как правило, осуществляет­ся от предварительно заряженной емкости.