Тиристори

Тиристор – напівпровідниковий прилад із трьома p-n-переходами. Спрощене схематичне зображення структури тиристора і його умовне зображення показані на рис. 38.

Рис. 38

Тиристори, що не мають керуючого електрода називається некерованими (діодними) тиристорами, або диністорами.

ВАХ тиристора при відсутності струму в керуючому електроді наведена на рис. 39.

Рис. 39

При подачі напруги до значення U_вкл між анодом і катодом тиристор залишається виключеним, маючи досить високий опір. Після досягнення значення напруги включення U_вкл тиристор включається, струм починає стрімко зростати, досягаючи значення I_н.

Поступове зниження анодного струму нижче значення I_вкл, при якому ввімкнувся тиристор, не призводить до вимикання тиристора. Таким чином, ВАХ включеного тиристора аналогічна ВАХ діода.

При збільшенні струму керування знижується напруга включення тиристора. Відповідне сімейство ВАХ наведене на рис. 40. При цьому струм керування не впливає на процес вимикання тиристора. Для вимикання тиристора на нього подають напругу зворотної полярності, яку підтримують протягом деякого часу t_викл.

Рис. 40

Таким чином, залежно від наявності струму через керуючий електрод тиристор може працювати в ключовому режимі.

Типове застосування тиристорів – силова перетворювальна техніка: керовані випрямлячі та інвертори.

Біполярний транзистор

Біполярний транзистор – напівпровідниковий прилад з двома p-n-переходами, має три виводи (електроди). Структура біполярного транзистора може бути двох типів p-n- p та n-p-n. Принцип дії біполярного транзистора заснований на використанні носіїв заряду обох знаків (електронів та отворів), що пояснює його назву. Схематичне зображення структури біполярного транзистора та його умовне графічне позначення показані на рис. 41.

Рис. 41

В активному режимі роботи (рис. 42) напруга між емітером та базою u_еб являється прямою, а між колектором та базою u_кб – зворотною, тому емітерний перехід відкритий, а колекторний закритий. Під дією прямої напруги u_еб основні носії заряду (в даному випадку – електрони) з емітера переходять в базу, де вони стають неосновними носіями, для яких закритий колекторний перехід не являється перепоною. Тому вони вільно переходять в колектор, створюючи в зовнішньому колі колекторний струм I_к, напрям додатного струму протилежний руху електронів.

Рис. 42

Біполярний транзистор описується сімействами вхідних та вихідних ВАХ. Вхідні ВАХ представлені залежностями вхідного струму від вхідної напруги при постійній вихідній напрузі, вихідні ВАХ – це залежності вихідного струму від вихідної напруги при постійному вхідному струмі. Для схеми із загальною базою, коли вхідний та вихідний джерела наруги мають спільний контакт на базі, сімейства вхідних та вихідних ВАХ представлені відповідно наступними залежностями та показані на рис. 43

Рис. 43

Вхідна характеристика значною мірою визначається характеристикою емітерного переходу, а тому аналогічна характеристиці діода. Зсув характеристики вліво при збільшенні вихідної напруги u_кб пояснюється проявом ефекту Ерлі – ефекту модуляції товщини бази, суть якого наступна. При збільшенні напруги u_кб колекторний перехід (при зворотному зміщенні) розширяється за рахунок бази, товщина якої зменшується. Це призводить до зменшення опору бази, а відповідно при фіксованому значенні струму емітера i_е напруга u_еб зменшується.

Активному режиму роботи транзистора відповідають ділянки вихідних ВАХ, розташовані в першому квадранті, де спостерігається лише незначна залежність струму колектора I_к від колекторної напруги, викликана модуляцією ширини бази. При цьому значення колекторного струму I_к значно залежить від струму емітера I_е.

Змінюючи в невеликих межах напругу u_еб, можна значно змінювати струм емітера I_е, а відповідно і струм колектора I_к, тобто керувати великою потужністю у вихідному колі, витрачаючи порівняно невелику потужність у вхідному колі емітер-база. В цьому і проявляються підсилюючі властивості біполярного транзистора.

Схеми, у яких використовуються транзистори, аналізуються на постійному та змінному струмі окремо. При аналізі на постійному струмі біполярний транзистор представляється у вигляді нелінійної фізичної моделі Еберса-Мола, а при аналізі на змінному струмі, коли транзистор працює в активному режимі, – у вигляді малосигнальної еквівалентної схеми (рис. 44).

Рис. 44

В даній схемі r_е = φ_T / I_е ≈ 0,025/I_е – диференційний опір відкритого емітерного переходу; r_б – сума опорів активної та пасивної області бази; C_к – бар’єрна ємність колекторного переходу; r_к – диференційний опір закритого колекторного переходу, що моделює вплив U_кб на струм I_к через ефект модуляції ширини бази. Залежне джерело струму моделює процес керування колекторним струмом I_к зі сторони струму емітера I_е. Залежність коефіцієнту передачі за струмом α від частоти p = jω зумовлена тим, що переміщення носіїв заряду через базу проходить не миттєво:

де ω_α – частота, на якій α зменшується в раз.