На головну

Тиристори і деякі інші ключові прилади - Радіоелектроніка

1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРИ

Нарівні з приладами, що дають можливість осуществнлять лінійне посилення сигналів, в електроніці, у вычиснлительной техніці і, особливо в автоматиці широке принменение знаходять прилади з падаючою дільницею вольтамперной характеристики. Ці прилади частіше за все выполнняют функції електронного ключа і мають два стани: замкнене, що характеризується високим опором, і відімкненим, мінімальним сопротивнлением, що характеризується.

10-15 років тому в схемах електронної автоматики як електронний ключ використали газонаполнненный прилад - тиратрон. При подачі керуючого (запалювального) імпульсу в балоні тиратрона починався лавинный процес іонізації газу. Проміжок між анодом і катодом ставав провідним і замикав силовий ланцюг.

З появою площинного біполярного транзистора з'явилася на самому початку 50-х років і четырехслойная структура, що отримала спочатку назву «хук-транзинстор», або транзистор з пасткою в колекторі.

Дещо пізніше було помічено, що характеристики такої структури багато в чому нагадували характеристики тиратронів, і прилади такого типу отримали назву тиристорів (аналогічно з термінами тиратрон і траннзистор).

У ході розвитку напівпровідникової техніки з'явилися і інші прилади, що володіють аналогічними характеринстиками, хоч їх робота і заснована на інших принципах. До числа таких, приладів можна віднести двухбазовый діод і лавинный транзистор. Обидва ці прилади не підходять під визначення тиристора, однак ми включаємо їх в цей розділ, виходячи з області їх застосування.

Отже, почнемо розгляд основних фізичних процесів, що протікають в четырехслойной тріодній структурі типу р-п-р-п, в якій висновки зроблені від двох крайніх областей і від середньої n-області. У відповідності з терминнологией МЭК прилад, що має таку структуру, назынвается тріодом-тиристором. Четырехслойная структура з двома висновками від крайніх областей називається діодом-тиристором.

Якщо транзистор типу р-п-р-п включити в схему так, як звичайно включається транзистор типу р-п-р, т. е. счинтать праву n-область коллекнтором, і подати на неї отринцательное по відношенню до банзе (середня n-область) смещенние, а емітер (ліва р-область) тимчасово залишити розімкненим, то подключеннную до джерела живлення

мал. 1 Схематичне зображення біполярного транзистора типу р-п-р-п з двійчастим переходом (пасткою) в колекторі.

частину транзистора, що складається з трьох областей, можна розглядати як самостійний транзистор типу п-р-п, підключений емітером і колектором до джерела питанния. База цього умовного транзистора до схеми не подклюнчена, транзистор працює в режимі нульового струму бази (мал. 1).

Оскільки в цьому випадку ми маємо справу не з транзистонром р-п-р, а з транзистором п-р-п, то очевидно, що колнлектором цього умовного транзистора повинен бути эленктрод, до якого підводиться позитивне напруження, а емітером - електрод, до якого підводиться отрицантельное напруження. Іншими словами, полярність принложенного до умовного транзистора напруження така, що середній р-п перехід має зміщення в зворотному напрямі і на ньому падає майже все напруження джерела живлення, тоді як правий р-п перехід має зміщення в прямому напрямі.

Означаючи двома штрихами велинчины, що відносяться до цього умовного транзистора, запишемо

I''к= I''э=(B''0+1)* I''к0

Відмітимо, що для структури р-п-р-п загалом цей струм буде являти собою коллекторный струм при відключеному емітері. Величини, що відносяться до всієї рассматринваемой нами структурі, будемо записувати без індексів. Таким чином,

Iк0= I''к=(B''0+1)* I''к0

т. е. зворотний струм. колектора структури р-п-р-п в (B''0+1) раз перевершує зворотний струм одиночного переходу. Це одна з особливостей структури р-п-р-п.

Оскільки вихідним електродом умовного транзистора п-р-п є його емітер, а колектор підключений до занземленной точки, то можна вважати, що умовний траннзистор включений по схемі із загальним колектором. Вхідним електродом умовного транзистора є його база, т. е. середня р-область.

Для транзистора, включеного по схемі із загальним колнлектором, посилення по струму як відношення зміни вихідного струму до його зміни вхідного струму, що викликала буде рівне

ê I''эê I''э11

ê I''бêI''э- êI''к1-êI''к/êI''э1 - a''0

Отже, зміну струму бази умовного траннзистора повинно привести до зміни струму у вихідному ланцюгу, в 1/ (1 - a''0) раз більшому.

Якщо подати зміщення в прямому напрямі на лівий р-п перехід, то він буде инжектировать дірки в середню n-область. Дірки будуть розповсюджуватися дифузійно в напрямі середнього р-п переходу, втягуватися його полем і викидатися в середню р-область. Три лівих шари працюють при цьому, як транзистор типу р-п-р, вклюнченный із загальною базою. Струм емітера цього лівого умовного транзистора I'эбудет, очевидно, рівний струму емітера Iэструктуры р-п-р-п.

Таким чином, отримуємо, що структура р-п-р-п преднставляет собою як би два накладених один на іншій площинних транзистора, з яких перший є транзистором р-п-р, включеним по схемі із загальною базою, а другий - транзистором

п-р-п, включеним по схемі із загальним колектором. Рис а, б

Оскільки області n1и n2практически являють собою одну і ту ж n-область, пов'язану виведенням із заземленою точкою, то ми маємо всі основи заземляти окремо кожну з цих областей, залишивши області p1и р2соединенными провідником.

Посилення по струму структури загалом визначається співвідношенням

a0=a'0/[1-a''0]

Таким чином, при умові, що коефіцієнт усиленния по струму кожного з умовних транзисторів (a'0, і a''0) менше одиниці, коефіцієнт передачі струму структури

а) б)

Схематичне зображення двох стадій (а і б) разденления транзистора р-п-р-п на два умовних тріоди р-п-р і п-р-п

р-п-р-п загалом може значно перевищувати одиницю. Пояснимо механізм роботи цієї структури за допомогою енергетичних діаграм мал. 2. Коли відсутнє зовнішнє напруження, положення меж зон структури р-п-р-п (мал. 2 а) буде мати вигляд, представлений на мал. 2 би

Додатковий потенційний бар'єр в колекторі прийнято звичайно називати пасткою, в зв'язку з чим струкнтуру типу р-п-р-п іноді називали транзистором з ловушнкой в колекторі.

Коли прикладені зовнішні напруження вказаної вище полярності, висота потенційного бар'єра середнього перенхода різко зростає, а висота лівого і правого потеннциальных бар'єрів дещо знижується. Якщо рассматнривать тільки теоретичну модель, т. е. нехтувати паденнием напруження на розподіленому опорі, то висота лівого бар'єра знизиться на величину наближеного до емітера напруження, а висота правого бар'єра на величину, визначувану струмом I'к, що протікає через цей перехід мал. в

Зміну напруження між емітером і базою приводить до інжекції дірок в середню n-область. Диффунндируя через середню n-область і попадаючи через запернтый перехід в середню р-область, дірки підвищують концентрацію основних носинтелей в цій області.

Підвищення концентрації основних носіїв в середній р-області приводить до понинжению висоти правого р-п переходу і інжекції элекнтронов з правої n-області в середню р-область. Элекнтроны проходять середню р-обнласть і йдуть через потеннциальный бар'єр в середню n-область. Частина з них рекомбинирует в р-області.

Умова рівноваги і електричної нейтральності вимагає щоб число дірок, що війшли в р-область, було таке, що дорівнює числу електронів рекомбинировавших при русі через р-область.

Звідси ясно, що оскільки рекомбинирует в об'ємі 1 - a''0от всіх електронів, що війшли в цей об'єм та поява в середній р-області деякої кількості дірок

викликає інжекцію в цю область в 1/(1 - a''0)раз більшої кількості електронів. Оскільки число дірок, що досягли середньої р-області, a'0в разів менше числа дірок, инжектированных емітером (лівою р-областю), а число электроннов, викликаних цими дірками з правої n-області, в 1/(1 - a''0)раз більше, ніж число дірок, що досягли р-області, то результуючий коефіцієнт передачі струму оканзывается рівним:

a0= a'0/(1 - a''0)

Рис. 2. Діаграми положення меж зон і проходження носіїв заряду в структурі р-п-р-п:

а-схематичне зображення структури р-п-р-п, би - положення меж зон при відсутності зовнішніх напружень, в-положення меж зон при подачі, на колектор негативного, а на емітер позитивного зміщення відносно бази

положення меж зон до подачі зміщення,

зміну положення меж зон правого переходу при попаданні инжектированных емітером дірок в середню р-область.

Коефіцієнт посилення по струму, що перевищує одиницю, при відповідному напрямі вхідного і вихідного струму забезпечує роботу приладу в ключовому режимі.

Біполярний транзистор при включенні його по схемі із загальною базою має необхідні напрями струмів, але його коефіцієнт посилення по струму a0< 1. При включенні по схемі із загальним емітером коефіцієнт посилення по струму перевищує одиницю (B0> 1), але не дотримуються необхондимые напряму струмів. У четырехслойной тиристорной структурі виконуються обидва ці умови.

Діністор. Розглянемо роботу діода що складається з чотирьох ченредующихся шарів p1-n1-p2-n2(мал. 5-8, а). Якщо подати на нього не дуже велике напруження U плюсом на шар р1и мінусом на шар n1, то потече струм, як показано стрілкою. У результаті переходи П1і П2будут працювати в прямому напрямі, а перехід П2- в зворотному. Таким чином, вийде як би поєднання двох транзисторів в одному приладі (мал. 5-8, би) (Комбінація транзисторів р-п-р і п-р-п, показана на мал. 5-8, би, дійсно володіє властивостями динистора і може бути використана на практиці.): одним транзистором є комбінація шарів p1-n1-p2, іншим - комбінація шарів п1. Шари p1и n2являются емітерами, n1и p2, - базами для одного транзистора і колекторами для другого. Щоб уникнути плутанина їх називає базами. Перехід П2називают коллекторным.

Рис 3. Структура динистора (а) і його двухтранзисторный еквівалент (би).

Розглянемо четырехслойную структуру, зображену на малюнку 3. У цьому випадку напруження виявиться прикладеним з основному до переходу П2, який буде працювати в режимі колектора. Переходи П1і П2окажутся зміщеними в прямому напрямі. Перехід П буде являти собою эммитер, инжектирующий неосновні носії в область n1, що виконує роль бази для першого эммитера. Дірки, минулі першу базу і коллекторный перехід П2, з'являються у другій базі. Їх нескомпенсированный об'ємний заряд буде знижувати висоту потенційного бар'єра переходу П3і викликати зустрічну інжекцію електронів.

Аналогічним образом можна розглядати інжекцію електронів з області n2 в область p2 їх поява в область n1 і зустрічну повторну інжекцію дірок з області p1 в область n1. Таким чином, обидві крайні області виконують роль эммитеров, причому кожний эммитер відповідає повторною зустрічною інжекцією на інжекцію іншого эммитера. Цим створюються всі необхідні передумови для розвитку лавинного процесу. Проте лавинный процес зростання струму через систему починається не при будь-якому напруження на структурі, а тільки при деякому досить великому напруженні.

Якщо змінити полярність напруження, прикладеного до структури, що розглядається, на зворотну, то переходи П1і П3окажутся зміщеними в зворотному напрямі. Якщо обидва ці переходи досить високовольтні, то вольт-амперна характеристика буде мати вигляд зворотної гілки звичайної диодной характеристики.

Поки коллекторный перехід працює в зворотному напрямі, практично все прикладене напруження U падає на ньому. Тому при великих значеннях U потрібно враховувати ударну іонізацію в цьому переході. Приймемо для дірок і електронів один і той же коефіцієнт множення М (щоб не ускладнювати викладення) і визначимо через a1и a3интегральные коефіцієнти передачі струму від переходів П1і П3к переходу П2. Тоді струм останнього можна записати в наступному вигляді:

Iп2=M(Ia1+Ia3+Ik0)  (1)

де Ik0-сума теплового струму, струму термогенерации і струму витоку в переході П2.

Оскільки струми через всі три переходи однакові і рівні зовнішньому струму I, легко знаходиться:

I=MIk0/(1-Ma)  (2)

Тут а=a1 коефіцієнт передачі струму від обох емітерів до коллекторнному переходу. Вираження (2) в неявному вигляді є вольт-амперною характеристикою динистора, оскільки параметр M в правій частині залежить від напруження (Струм Ik0при тому його визначенні, яке було дане в формулі (1), також залежить від напруження. Однак облік цієї залежності нарівні із залежністю У деяких випадках (наприклад, якщо перехід П2, зашунтирован невеликим зазделегідь відомим опором) можна нехтувати функнцией М (U) і вважати залежність від напруження зосередженою в функції Ik0(U). У інших випадках можна врахувати залежність а (U) і нехтувати функціями М (U) і Ik0(U). Нарешті, можна використати різні ' комбінації цих функцій. Загальна методика аналізу при цьому не міняється.). Структура вираження (2) така ж, як у разі лавинного транзистора при Iб== 0. Така схожість цілком природна, оскільки обидва «становлячих транзинстора» в динисторе (мал. 3, би) включені по схемі ОЭ з обірваною базою.

Вольт-амперна крива динистора разом з його умовним обознанчением показана на мал. 4. Як бачимо, вона подібна характеристиці лавинного транзистора в схемі ОЭ (див. мал. 4).. Однак істотною перевагою динисторов є те, що робоче напруження в області великих струмів у них значно менше і майже не залежить від струму. Крім того, динисторы працюють без всякого предванрительного зміщення в ланцюгу бази на відміну від лавинных транзисторів, у яких таке зміщення необхідне (мал. 4, а). Критичні точки характеристики на мал. 4, в яких r == dU/dI == 0, називають відповідно точкою прямого переключенния (ПП) і точкою зворотного перемикання (ОП).

Рис. 4. Вольт-амперна характеристика динистора. а-початкова дільниця; би-повна крива.

Походження негативної дільниці на характеристиці динистора зумовлене тією ж причиною, що і в лавинном траннзисторе. А саме, у обох приладів на цій дільниці заданий постійний струм бази (у динистора він рівний нулю). Тому повинно виконуватися співвідношення dIk= dIэ, т. е. диференціальний коефіцієнт а повинен бути весь час рівний одиниці. З зростанням струму величина а прагне вознрасти, але це зростання запобігається зменшенням напруження на коллекторном переході, т. е. ослабленням ударної ионинзации. Такий же висновок виходить з формули (2), в яких знаменник не може бути негативним, і, следовантельно, починаючи з деякої робочої точнки, збільшення інтегрального коефіцієнта а повинно супроводитися зменшенням коефіцієнта M, т. е. уменьншением коллекторного напруження.

Однак, незважаючи на певну схожість з лавинным транзистором, має принципову особливість. Цю особливість легко показати, якщо представити вольт-амперну характеристику в формі U(I). Підставивши вираження для характеристики в області іонізації в (2) і вирішивши останнє відносно напруження, отримаємо:

U=UM[1-(а*I+Ik0)][/I]1/n(3)

У лавинного транзистора, у якого а < 1 при будь-якому струмі, напряженние Ukвсегда має кінцеву величину. У динистора, у якого сумнмарный коефіцієнт а == a1+a3может перевищувати одиницю, напрянжение U (точніше, напруження на коллекторном переході) робиться рівним нулю при деякому кінцевому струмі /. При ще більшому струмі формули (2) і (3) стають недійсними, оскільки

коллекторный перехід виявляється зміщеним в прямому напрямі і механізм роботи динистора якісно змінюється. Розглянемо окремі дільниці характеристики, показаної на мал. 4.

Початкова дільниця 1 характерна дуже малими струмами, при яких можна вважати а @ 0. Опір на цій дільниці вельми великий, тому заданою величиною завжди буває напруження, а струм можна знайти по формулі (2).

На перехідній дільниці 2 зростання напруження сповільнюється, а сопронтивление різко падає. Ці зміни є слідством збільшення коефіцієнта а і можуть бути легко оцінені за допомогою вираження (3).

У кінці другої дільниці, в точці ПП, опір звертається в нуль, а потім (при заданому струмі) стає негативним. Коорндинаты точки прямого перемикання визначаються умовою dU/dI = 0.

Напруження Uп.побычно близько до величини Umи для різних тинпов динисторов лежить в широких межах від 25-50 до 1 000-2 000 в (Ці цифри характерні для серійних динисторов. Можна виготувати ананлогичные прилади з робочими напруженнями всього в трохи вольт). Струм Iп.плежит в межах від часткою микроампера до декількох милнлиампер в залежності від матеріалу і площі переходів.

На негативній дільниці 3 характеристика як і раніше описынвается формулою (3), яку, однак, можна спростити, вважаючи aI > Ik0. Тоді

U@UM(1 а збільшується із зростанням струму. Диференціюючи (4) по струму, отримуємо опір на цій дільниці:

r= - UM(da/dI) / n(1-a)[n-1]/n(5)

Звідси видно, що величина опору повинна істотно мінятися із зміною струму. Характер цієї зміни визначається функцією a(I) і в загальному випадку може бути немонотонним. Однак частіше за все опір r зростає (по модулю) із зростанням струму. Середня величина ôrô між точками ПП і ОП лежить звичайно в межах від 5-10 до 50-100 ком.

Коллекторное напруження, меншаючи на дільниці 3, робиться рівним нулю в точці Н (Точка Н означає межу режиму насичення-режиму, в якому і эмит-терные, і коллекторный переходи працюють в прямому напрямі.). З формули (3) при U = 0 отримуємо співвідношення

I=Ik0/[1-a](6)

з якого визначається струм Iн. Оскільки цей струм незрівнянно більше, ніж Iк0, його можна визначати з умови

а = a1+ a3@ 1(7)

користуючись графіками а (I).

Напруження Uнявляется сумою напружень на эмиттерных переходах, оскільки Uп2= 0. Використовуючи формулу UЭ=jTln(Iэ/I'э0+1+an(euk/yt-1)) при Uk=0, Iэ= Iни вважаючи обидва эмиттерных переходи однаковими, отримуємо:

Uн=2 jTln (Iэ/I'э0) (8)

Це напруження становить трохи десятих часткою вольта у германиевых динисторов і 0,5-1 в - у кремнієвих.

При токеI > Iнпереход П2, будучи зміщений в прямому направнлении, инжектирует носії назустріч тим потокам, які постунпают від емітерів. Инжектируемый компонент струму Iп2равен разнности між компонентом (a1Iп1+ a3Iп3), що збирається і повним струмом Iп2. Тому якщо для простоти покласти a1= 0 (т. е. вважати, що носії, инжектируемые переходом П2. не доходять до емітерів) і прийняти умову U >>jTдля всіх трьох переходів, то напруження на відкритому динисторе можна виразити за допомогою формули UЭ=jTln(Iэ/I'э0+1+an(euk/yt-1)) у вигляді суми напружень на переходах:

U=jT[ln(Iп1/ Iэ01)-][ln(a1Iп1+a3Iп3)[- Iп2]/ Iэ02+ln (Iп3/Iэ03)] (9 a)

(струми I'э0заменены на Iэ0, оскільки прийняте a1= 0).

Враховуючи, що Iп1= Iп2= Iп3= I і вважаючи струми Iэ0одинаковыми у всіх переходів, отримуємо просте наближене вираження:

U=jTln[I/Iэ0](/[а-1]) (9 би)

Поблизу точки Н, де а @1, збільшення струму, а разом з ним коэфнфициента а приводить до сильного збільшення різниці а - 1 і напрянжение дещо меншає (дільниця 4). У точці ОП напруження досягає мінімуму і надалі зростає із зростанням струму (дільниця 5) за рахунок падіння напруження в товстій базі (Наявність товстої бази в структурі динистора характерна для більшості реальних приладів по конструктивно-технологічних причинах. Коефіцієнт перенесення з в такій базі істотно менше одиниці, оскільки звичайно w >> L. Ето обставина не перешкоджає роботі динистора, якщо виконується умова a1+ a3> 1. Більш того малий коефіцієнт перенесення в товстій базі бажаний, тому що при цьому сумарний коефіцієнт а в області малих струмів наростає повільніше, а це забезпечує великі напруження перемикання.).

Звичайно параметри точок Н і ОП близькі один до одного, тому можна обчислювати координати точки ОП по формулах (8) і (9).

При негативному напруженні U перехід П2оказиваєтся сменщенным в прямому напрямі і дірки инжектируются в шар n1, а електрони - в шар p2. Переходи П1і П3смещены в зворотному напрямі і є в цьому випадку коллекторными. Таким чином, динистор в цьому режимі еквівалентний двом послідовно включеним транзисторам (р-п-р і п-р-п) з обірваними базами. Напруження пробою в такій комбінації залежить від типу переходів П1і П3(плавні або ступінчасті), а також від матеріалу баз.

Важливою проблемою при розробці динисторов і інших аналогичнных приладів є забезпечення плавної зміни коэфнфициента а в області малих струмів. Дійсно, як вже відмічалося, 2-й (перехідний) дільниця вольт-амперної кривої (мал. 4) характерна помітною і зростаючою роллю складового aI по сравннению з струмом Ik0в формулі (3). Значить, чим повільніше за увеличинвается а із зростанням струму, тим пізніше (при великих струмах) почнеться 2-й дільниця і тим більше буде напруження перемикання, що звичайно бажано в таких приладах. З цієї точки зору переважним матеріалом для динисторов є кремній, оскільки у кремнієвих переходів завдяки більшій ролі процесів генерації - рекомбиннации коефіцієнт інжекції при малих струмах близький до нуля і із зростанням струму збільшується вельми повільно. Ще однією перевагою кремнію є мала величина струму в запернтом стані приладу. Однак, з іншого боку, кремнієві переходи характерні більшої величинной прямого напруження і великим опором шарів. Це погіршує параметри динистора у відкритому стані.

Рис. 5. Структура тринистора.

Щоб ослабити залежність а (I) при малих тонках (особливо у германиевых структур), часто шуннтируют эмиттерный перехід невеликим сопротивнлением R. Тогда значна частина загального струму відгалужується в цей опір, минуя емітер. Тим самим эмиттерный струм, а разом з ним і коефіцієнт а при інших рівних умовах уменьншаются.

Останнім часом одну з баз динисторов звичайно легують золонтом. Мета такого легування - зменшити час життя і тим самим час перемикання. При цьому одночасно зростає відношення w/L (оскільки L =(dt)1/2), а значить, і коефіцієнт a, що знов-таки сприяє підвищенню напруження перемикання.

Тріністор. Постачимо одну з баз динистора, наприклад п1, внешнним висновком і використовуємо цей третій електрод для завдання дополнинтельного струму через перехід p1-n1(мал. 5) (Реальні четырехслойные структури характерні різною товщиною баз. У якості керуючою використовується тоннкая база, у якої коефіцієнт передачі a1близок до одиниці.). Тоді вийде прилад, що володіє властивостями тиратрона. Для такого приладу (тринистора) прийнята та ж термінологія, що і для звичайного траннзистора: вихідний струм називається коллекторным, а керівник - базовим. Емітером вважається шар, що примикає до бази, хоч з фізичної точки зору емітером є і другий зовнішній шар (в нашому випадку п2). Умовне позначення тринистора разом з семейнством характеристик показане на мал. 6. Як бачимо, збільшення керуючого струму Iбприводит передусім до зменшення напряженния прямого перемикання. Крім того, дещо зростає струм прямого перемикання, а струм зворотного перемикання меншає.У результаті окремі криві із зростанням струму Iбкак би «вписуються» один в одну аж до повного зникнення негативної дільниці (таку криву називають випрямленою характеристикою).

Елементарний аналіз тринистора можко провести, виходячи з формули (1), в якій треба покласти Iп3= Iп2= Ikи Iп1= Ik+ Iб. Тоді замість формули (2) отримаємо для струму Ikболее загальне вираження

Ik= (MIk0+(Ma1)Iб)/(1-Ma)  (10)

Тут як і раніше а = a1+ a3- сумарний коефіцієнт перендачи, в якому становляча a3является функцією струму Ik, а составнляющая a1- функцією суми струмів Ik+ Iб. Задаючи позитивний струм Iб, ми тим самим задаємо початкове значення коефіцієнта a1(при Ik==0). Тому будь-якому струму Ikбудет відповідати більше значення a, а значить, і більше значення а, ніж при Iб= 0.

Рис. 6. Вольт-амперні характеристики тринистора при позитивному струмі бази.

Вирішуючи (10) відносно M і використовуючи вираження для характеристики в області іонізації, не-. важко представити вольт-амперні характеристики тринистора в формі Uк(Iк):

Uк=Um(1- а Iк+ Iк0+a1Iб)[/ Iк]1/n(11)

В окремому випадку, при Iб= 0, виходить характеристика динистора (3). Вираження (11) ясно показує, що даному струму Iксоответствует тим менше напрянжение Uk, ніж більше струм Iб(мал. 6). Розглянемо окремі учанстки цього сімейства.

На початковій дільниці ми маємо по суті сімейство характериснтик звичайного транзистора в схемі ОЭ.

Координати точок прямого перемикання визначаються, як і в динисторе, умовою dUk/dIk, == 0. Аналіз показує, що струм Iп.пвозрастает із збільшенням струму бази.

На мал. 7 показана пускова характеристика тринистора, т. е. залежність Uп.п(Iб).

Координати точки Н, в якій напруження на коллекторном переході П2падаєт до нуля, визначаються умовою Uk= 0 в формулі (11).

Так само як в динисторе, можна в цій точці вважати а @ 1 і опренделять струм Iниз умови

а=a1(Iн+ Iб)+ a3(Iн)==1. (12)

Звідси видно, що збільшення струму Iб, а значить, і коефіцієнта a1сопровождается зменшенням коефіцієнта a3, а значить, і струму Iн. Відповідно декілька менше буде і струм Io.пв точці зворотного перемикання.

Параметри тринистора у відкритому стані практично не відрізняються від параметрів динистора, оскільки струм Ikв цієї області значно більше струму Iб, і тому струми обох крайніх переходів майже однакові.

Рис. 7. Пускова характеристика тринистора

Досі ми розглядали криві з параметром Iб>0. При цьому малося на увазі, що джерело базового струму являє собою е. д. з. Еб< О, включену послідовно з сопронтивлением Rб(див. мал. 6). У окремому випадку, при Iб=0, можна було вважати Еб= 0; rб= ¥. Тепер розглянемо роботу тринистора в умовах обратнонго зміщення (Еб> 0) (мал. 8). Нехай е. д. з. Ебдостаточно велика і эмиттерный перехід замкнений. Тоді тринистор перетворюється в транзистор п1(з обірваною базою p2), який включений послідовно з опором Rби харчується напруженням Еб+ Uk. Коллекторный струм при такому включенні буде струмом транзистора в схемі ОЭ з оборваннной базою:

Ik=MIk0/(1-Ma3)

де a3- коефіцієнт передачі струму від переходу П3к переходу П2. Реальне замикаюче зміщення на эмиттерном перенходе буде менше, ніж е. д. з. Еб, на величину IkRб. З зростанням струму Ikсмещенние буде меншати, і при деякому струмі I0, коли Еб- I0Rб= 0, эмиттерный перехід відімкнеться. Після цього базовий струм буде мати незмінну негативну величину:

Рис. 8. Вольт-амперні характеристики тринистора при негативному струмі бази.

Iб= -I0= /Rб(13)

яку можна вважати параметром відповідної характеристики. Якщо в формулі (11) покласти a1=0 і а= a3и підставити Ik= I0, можна отримати напруження відімкнення эмиттерного переходу:

U0=UM[1-(a3I0+ Ik0)][/ I0]1/n(14)

З формули (13) видно, що струм I0, рівний параметру кривої (струму Iб), зростає разом з модулем параметра. Що стосується напрянжения U0, то воно дещо збільшується.

Струм зворотного перемикання можна знайти з рівняння (12), якщо вважати Iн@Iо,пВ випадку малих негативних струмів бази струм Iо, пзаметно більше струму I0@ôIбô. При великих струмах ôIбô ця різниця меншає. Відношення Iо, п/ôIбô можна назвати коэфнфициентом посилення при вимкненні; він визначається. величиной а1/(а-1) і в звичайних тринисторах не перевищує (1). Очевидно, що з точки зору керованості при замкненні сумарний коефіцієнт передачі а не треба робити набагато великим одиниці.

На мал. 9, а показана типова схема включення тринистора, а на мал. 9, би - її робочий цикл. Нехай Ek< Uп, по. Тоді в запернтом стані і при струмі Iб= 0 робочою точкою буде точка а. Увелинчивая струм Iбдо значення Iб1, ми викличемо стрибкоподібний перехід робочої точки з положення a1в положення b. У цьому відкритому состояннии тринистора падіння напруження на ньому складає всього лише біля 1 в, як і в динисторе. Тому струм навантаження практично рівний Ek/Rk. Для того щоб замкнути тринистор, т. е. повернутися в точку а, треба або зменшити ранбочий струм до величини Ik

Рис 9. Типова схема включення тринистора (а) і її робочий цикл (би)

(шляхом пониження пинтающего напруження), або задати в базу отрицантельный імпульс струму. Обидва випадки ілюструються пунктирними лініями на мал. 9, би.

У першому випадку робоча точка стрибком переходить з положення b1в положення a2, а потім (після відновлення Е. Д. С. Ek) - в початкову точку а. У втонром випадку з точки b відбувається стрибок в точку a3, а потім (по оконнчании замикаючого імпульсу) повернення в точку а. Перший шлях відомий з тиратронной техніки, другий специфічний для тринистора, оскільки тиратрон не можна погасити з боку сітки. Правда, базонвый струм «гасіння» в тринисторе виявляється порівняно великим через малий коефіцієнт посилення при вимкненні.

Основна тенденція при розробці сучасних тринисторов складається в підвищенні робочих струмів і, напружень з тим, щоб замінити відповідні газорозрядні прилади (газотроны і тиратрони). У цей час робочі струми тринисторов лежать в межах 1 000- 2 000 а, а робочі напруження - в межах 2-3 кв. При інших рівних умовах динисторы і тринисторы значно перевершують газорозрядні прилади по коефіцієнту корисної дії, а також по габаритах, вазі і терміні служби.

Могутні тринисторы використовуються як контакторов, комнмутаторов струму, а також в перетворювачах постійного напруження, инверторах і випрямних схемах з регульованим вихідним напруженням.

Часи перемикання у тринисторов значно менше, ніж у тиратронів. Навіть у могутніх приладів (з струмами в десятки ампер і більше) час прямого перемикання складає біля 1 мксек, а час зворотного перемикання не перевищує 10-20-мксек. Потрібно помітити, що нарівні з кінцевою тривалістю фронтів напруження і струму мають місце затримки фронтів по відношенню до моменту подачі керуючого імпульсу.

Поряд з могутніми тринисторами розробляються і малопотужні високочастотні варіанти. У таких приладах час прямого перенключения може складати десятки, а час зворотного переключенния - сотні наносекунд. Так висока швидкодія обеспечинвается малою товщиною шарів і наявністю електричного поля в толнстой базі. Малопотужні швидкодіючі тринисторы испольнзуются в різних спускових і релаксационных схемах.

© 8ref.com - українські реферати
8ref.com