2.3. Контрольные вопросы

1) Назовите типы транзисторов.

2) Расскажите об устройстве и принципе действия биполярных тран-зисторов.

3) Поясните взаимосвязь между токами эмиттера, коллектора и базы транзистора.

4) Какие схемы включения транзисторов существуют? Перечислите достоинства и недостатки каждой из схем.

5) Какие параметры транзистора можно определить из входных и выходных характеристик?

6) Перечислите и охарактеризуйте режимы работы транзисторов.

Лабораторная работа 3

ТИРИСТОРЫ

Цель работы: ознакомиться с физическими основами работы и устройст-вом тиристора; исследовать его ВАХ и параметры, оценить влияние на них тока управления; изучить статические характеристики тиристора и овладеть методикой их расчета.

3.1. Краткие теоретические сведения

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор используется в качестве электрического ключа.

Материалом для изготовления тиристора служит кремний. Простейшим тиристором с двумя выводами (анод А и катод К) является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод УЭ и, как и диодный, четырехслойную структуру с тремя p-n-переходами – П1  П3 (рис. 13, а). Позиционное и условное графи-ческое обозначение триодного тиристора приведено на рис. 13, б.

Рис. 13. Структура (а), условное графическое и позиционное обозначение (б) и ВАХ (в) триодного тиристора

Питающее напряжение подается на тиристор таким образом, что переходы П1 и П3 оказываются открытыми, а переход П2 – закрытым. Сопротивление открытых p-n-переходов незначительно, поэтому все питающее напряжение U_пр приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление, следовательно, ток тиристора мал.

При повышении напряжения U_пр (что достигается увеличением ЭДС источника питания Е_а) ток тиристора увеличивается незначительно, пока напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению, равному значению напряжения включения U_вкл (рис. 13, в).

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда в p-n-переходе П2 движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя n₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и n₁ и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе R возрастает, а на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения 0,5 – 1 В. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е_а или уменьшении сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ. Такой пробой не вызывает разрушения перехода П2. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (см. рис. 13, в, нисходящая ветвь). Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия питающего напряжения обычно составляет 10 – 30 мкс.

Напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в переходе, в связи с чем напряжение включения U_вкл уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре (см. рис. 13, а) вводятся в слой р₂ цепью управления, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается пробивное напряжение при росте тока управления, показывает семейство кривых (см. рис. 13, в).

При подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П1 и П3. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя перехода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр max}.

Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

Для выключения тиристора на него подают обратное напряжение u_AK  0 и поддерживают его в течение времени, большего так называемого времени выключения t_выкл. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд. За это время избыточные заряды в слоях n₁ и р₂ исчезают. После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подавать прямое напряжение (u_AK  0), и он будет выключенным до подачи импульса управления. Тиристор выключается также в том случае, когда обратное напряжение не подается, но прямой ток снижается до некоторой малой величины, называемой током удержания. При этом напряжение на тиристоре увеличивается скачкообразно. Такой способ выключения на практике используется редко, так как время выключения при этом оказывается значительным.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах и коммутационной технике.

Основными параметрами тиристора являются постоянное напряжение в открытом состоянии U_о.с (U_T); постоянный ток в открытом состоянии I_о.с (I_T); отпирающий постоянный ток управления I_у.от (I_GT); отпирающее постоянное напряжение управления U_у.от (U_GT); время включения t_вкл (t_gt); время нарастания t_нр (t_r); время выключения t_выкл (t_q) и др.

Предельно допустимыми параметрами являются постоянный ток в открытом состоянии I_о.с (I_TAV); повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии I_о.с.п (I_TRM); повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии U_з.с.п (U_DRM); повторяющееся импульсное обратное напряжение U_обр.п (U_RRM); средняя рассеиваемая мощность в открытом состоянии Р_о.с.ср (Р_TAV); крити-ческая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (du_з.с/dt)_кр; критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di_о.с/dt)_кр; прямой импульсный ток управления I_у.пр.и (I_FGM) и др.