Полевые транзисторы и тиристоры

                                           1.6, Полевые транзисторы

     Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

     Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители  уходят из канала — стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

     Поскольку в полевых транзисторах (ПТ) ток определяется движением носителей только одного знака, их иногда называют униполярными транзисторами. Еще одним названием ПТ является термин канальные.

     Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности, исходного материала подразделяют на транзисторы с р-каналом и n-каналом. Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n переходом.

     Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом  и управляющим р-n переходом показаны на рис. 2.

 

 

 

 

 

 

 

     В транзисторе с п-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока 1_С. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-n переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: U_си>0, U_зи<0. В транзисторе с р-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: U_си <(), U_зи >0.

     Рассмотрим более подробно, работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с р-каналом работают аналогично.

На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n-переход между затвором и каналом (рис. 3,а) на границах канала возникает равно- мерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.   

     Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3,б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

     Если одновременно подать напряжения U_си>0 и  U_зи<0 (рис. 3, в), то толщина обедненного слоя, а, следовательно, и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений.

     При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:

                  U_cи + |U_зи |= U_зan,

обедненные  области смыкаются, и сопротивление канала резко возрастает. 

     Вольтамперные характеристики полевого транзистора приведены на рис. 4. Здесь зависимости тока стока I_с от напряжения U_си при постоянном напряжении на затворе U_зи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 3, а). На начальном участке характеристик U_cи + |U_зи | < U_зan ток стока I_с возрастает с увеличением U_си. При повышении напряжения сток - исток до U_си= U_зап — |U_зи | происходит перекрытие канала, и дальнейший рост тока I_с прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение U_зи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U_cи и тока стока I_с. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

     Дальнейшее увеличение напряжения U_си приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика  I_с=f(U_зи) (рис. 4,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения U_си. Входная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора I₃ от напряжения затвор-исток обычно не используется, так как при U_зи <0 р-n-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (I₃ = 10^-8…10^-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

     Полевой транзистор с изолированным затвором — полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем  диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора I₃ между металлическими затворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно оксид кремния, а р-n-переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП — металл—диэлектрик — полупроводник) или МОП-транзисторами (МОП — металл — оксид—полупроводник).

     Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с изолированным, затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время, изолированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: U_зи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока I_с.

     Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи

                           S = dI_c/dU_зи, при U_си = const

и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

                      R_c = dU_cи/dI_c , при   U_зи =const.

В качестве предельно допустимых параметров нормируются: максимально допустимые напряжения U_{си max} и U_{зи max}; максимально допустимая мощность стока Р_сmах; максимально допустимый ток стока I_{с mах}.

 

 

                                                    ТИРИСТОРЫ

    Тиристор - электропреобразовательный полупроводниковый  прибор  с тремя  или более p-n-переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок отрицательного сопротивления.

     При включении такого прибора в цепь переменного тока он открывается, пропуская ток в нагрузку лишь тогда, когда мгновенное значение напряжения достигает определенного уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод.

     Классификация и условные графические  обозначения тиристоров приведены  на рис.1.

 

Рис1. Классификация и условные графические обозначения тиристоров

     По числу внешних электродов тиристоры подразделяют на двухэлектродные — диодные тиристоры (динисторы) и трехэлектродные — триодные тиристоры (тринисторы). Те и другие имеют четырехслойную структуру полупроводника с электропроводностями разного типа. Крайние слои являются анодом и катодом, а третий электрод у триодных тиристоров служит управляющим электродом.                                Поэтому диодные тиристоры являются переключающими приборами, а триодные — управляемыми.

  Типичная четырехслойная структура тиристора типа p-n-p-n показана на рис. 2,а. Крайние слои р₁, n₂ ,  к которым подведены металлические контакты А и К, на-

зываемые анодом  и  катодом,  являются   эмиттерными, а  p-n-переходы   П₁   и П₃ -     эмиттерными переходами.

     К аноду и катоду подключен источник внешнего напряжения. Средние слои n₁и р₂ представляют собой базовые области. База p₂ имеет металлический контакт, называемый управляющим электродом УЭ. Он подключен к внешнему источнику управляющего напряжения Е_у. Таким образом, четырехслойная структура представляет собой как бы сочетание двух транзисторов в одном приборе: комбинация слоев p₁-n₁-p₂ — один транзистор, а комбинация слоев n₁-p₂-n₂ — другой. Переход П₂ называют коллекторным для обоих транзисторов. Вольтамперная характеристика тиристора приведена па рис. 2,б.

     Если ток в цепи управляющего электрода равен нулю I_ут = 0, а между анодом и катодом приложено небольшое постоянное напряжение указанной на рис. 2,а полярности, меньшее напряжения U_{пр зкр max Т} (рис. 2,б), то переходы П₁ и П₃ сместятся в прямом направлении, а переход П₂ — в обратном. При этом большая часть напряжения за счет внешнего источника Е_а будет воспринята обратно смещенным переходом П₂.

С повышением внешнего напряжения ток  I_а растет, так как увеличивается смещение переходов П₁ и П₃ в прямом направлении. При этом снижение потенциального барьера перехода П₃ приводит к инжекции электронов из эмиттера n₂ в базу p₂, часть из которых, избежав рекомбинации, достигает обратносмещенного коллекторного перехода П₂ и перебрасывается его полем в базу n₁. Рост концентрации электронов в базе n₁ приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода П1, в peзультате чего увеличивается инжекция дырок из эмиттера p₁ в базу n_1.  Дырки, продиффундировав через базу n₁, достигают перехода П₂ и перебрасываются его полем в базу p₂ . При этом их концентрация увеличивается, что приводит к снижению потенциального барьера перехода П₃, увеличению инжекции электронов из эмиттера n₂ и т. д. Таким образом, в структуре развивается лавинообразный процесс увеличения тока (участок оа, рис. 2,б), что аналогично наличию положительной обратной связи по току.

     Когда внешнее напряжение U_a станет равным U_{пр зкр max Т,} внутренняя положительная связь вызовет лавинообразный процесс инжекции основных носителей заряда из эмиттерных областей в базовые. Резкое увеличение концентрации электронов в базе n₁ и дырок в базе р₂ приводит к быстрому (соизмеримо с длительностью лавинообразного процесса) снижению напряжения U₂ обратносмещенного перехода П₂, а, следовательно, к уменьшению напряжения на тиристоре, так как U₃ = U₁+ U₂ + U₃ (рис. 2,а). Это означает, что прямая ветвь вольтамперной характеристики четырехслойной структуры имеет участок отрицательного сопротивления (участок ab на рис. 2,б), на котором рост тока обусловлен уменьшением напряжения.

     С развитием лавинообразного процесса, при котором происходит включение тиристора, ток в его внешней цепи растет до значения, определяемого нагрузкой R_н и напряжением источника питания E_а. Рабочим участком вольтамперной характеристики является участок cd. При этом падение напряжения между анодом и катодом тиристора невелико, так как все переходы смещены в прямом направлении.

     Для выключения тиристора необходимо уменьшить прямой ток I_a до значения, не превышающего значения тока удержания I_удT (точка с на рис. 2,б), или подать на тиристор напряжение обратной полярности. При изменении полярности внешнего напряжения переходы П₁ и П₃ смещаются в обратном направлении, а переход П₂ остается прямо смещенным. Вольтамперная характеристика получится такой же, как и для обычного диода при его обратном включении (участок 0е).

     Напряжение включения U_{пр зкр max Т} можно уменьшить, если в цепь какой-либо из баз (обычно р₂), примыкающих к переходу П₂, ввести от внешнего источника Е_у допол-

нительное число носителей за счет тока управления I_уT. Регулируя значение тока цепи управления, можно изменять уровень напряжения включения, при котором возникает лавинообразный процесс размножения носителей заряда (рис. 2,б).

     Основными статическими параметрами тиристора, определяемыми из его вольт-амперной характеристики, являются:   максимально   допустимый   постоянный ток

I_{откр max Т}   в открытом состоянии тиристора, при котором обеспечивается заданная надежность; напряжение в открытом состоянии тиристора U_откpT — основное напряжение при определенном токе (например, I_{откр max Т}   в открытом состоянии тиристора); максимально допустимое постоянное обратное напряжение тиристора U_{обр max Т}, при котором обеспечивается заданная надежность, это напряженно примерно в два раза меньше пробивного; максимально   допустимое   постоянное   прямое напряжение

U_{пр зкр max Т}, при котором тиристор находится в закрытом состоянии при определенном режиме в цепи управляющего электрода и обеспечивается заданная надежность; ток включения I_{вкл Т}  - основной ток в точке включения тиристора, удерживающий ток тиристора;  I_{уд Т}  -минимальный основной ток, который необходим для поддержании тиристора в открытом состоянии при определенном режиме и цепи управляющего электрода.

     Цепь управления тиристора характеризуется постоянным (импульсным) отпирающим током I_уотT управляющего электрода тиристора, представляющим собой минимальное значение постоянного (импульсного) тока, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенных режимах в цепях основных и управляющего электродов, а также соответствующее этому току постоянное (импульсное) отпирающее напряжение U_уотТ . Импульсы управления выбирают короткими с крутыми фронтами, так как при этом снижаются времена включения (t_вкл) и выключения (t_выкл.) тиристора, являющиеся ого важными динамическими параметрами. Однако длительность импульса управления должна быть больше времени включения тиристора. Минимальная длительность управляющего импульса обычно составляет 15—20 мкс.

     Тиристоры находят наиболее широкое применение в устройствах преобразовательной техники (выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и др.).