Полупроводниковые приборы (стр. 4 из 4)

В П. т.1-й группы (рис., а и б) управляющим электродом (затвором) служит полупроводниковый или металлический электрод, образующий с полупроводником канальной области р-n-переход или переход металл - полупроводник. На затвор подаётся напряжение, уменьшающее ток, который протекает от истока к стоку: при увеличении этого напряжения область пространственного заряда перехода (обеднённая носителями заряда) распространяется в канальную область и уменьшает проводящее сечение канала. При некотором значении напряжения затвора, т. н. напряжении отсечки Uoт, ток в приборе прекращается.

В П. т. с изолированным затвором (рис., б) управляющий металлический электрод отделен от канальной области тонким слоем диэлектрика (0,05-0,20 мкм).Канал может быть либо образован технологическим способом (встроенный канал), либо создан напряжением, подаваемым на затвор в рабочем режиме (индуцированный канал). В зависимости от этого прибор имеет передаточную характеристику соответственно вида I или II (см. рис., в).

П. т. широко применяют в электронной аппаратуре для усиления электрических сигналов по мощности и напряжению. П. т. - твердотельные аналоги электронных ламп, они характеризуются аналогичной системой параметров - крутизной характеристики (0,1-400 ма/в),напряжением отсечки (0,5-20 в), входным сопротивлением по постоянному току (10¹¹-10¹⁶ом) и т.д.

П. т. с управляющим р-n-переходом обладают наиболее низким среди полупроводниковых приборов уровнем шумов (являющихся в основном тепловыми шумами) в широком диапазоне частот - от инфранизких до СВЧ (коэффициент шума лучших П. т. < 0,1 дб на частоте 10 гц и ~ 2 дб на частоте 400 Мгц).Мощность рассеяния П. т. такого типа может достигать нескольких десятков вт. Их основной недостаток - относительно высокая проходная ёмкость, требующая нейтрализации её при большом усилении. В П. т. с переходом металл - полупроводник достигнуты наиболее высокие рабочие частоты (максимальная частота усиления по мощности лучших П. т. на арсениде галлия > 40 Ггц).П. т. с изолированным затвором обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току (до 10¹⁶ом, что на 2-3 порядка выше, чем у др.П. т., и сравнимо с входным сопротивлением лучших электрометрических ламп).В области СВЧ усиление и уровень шумов у этих П. т. такие же, как и у биполярных транзисторов (предельная частота усиления по мощности около 10 Ггц, коэффициент шума на частоте 2 Ггц около 3,5 дб и динамический диапазон > 100 дб), однако они превосходят последние по параметрам избирательности и помехоустойчивости (благодаря строгой квадратичности передаточной характеристики). Относительная простота изготовления (по планарной технологии) и схемные особенности построения позволили использовать их в больших интегральных схемах (БИС) устройств вычислительной техники (например, созданы БИС, содержащие > 10 тыс. МДП-транзисторов в одном кристалле).

Тиристор

Рис.1 Тиристор (схема)

Рис.2 Вольтамперная характеристика тиристора

Рис.3 Тиристор (двухтранзисторная схема)

Тиристор (от греч. thýra - дверь, вход и англ. resistor - резистор), полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий свойствами вентиля электрического и имеющий нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ). С крайними слоями (областями) монокристалла контактируют силовые электроды (СЭ) - анод и катод, от одного из промежуточных слоев делают вывод электрода управления (УЭ).

К СЭ подсоединяют токоподводы силовой цепи и устройства теплоотвода. В случае, когда к СЭ прикладывается напряжение прямой полярности U_{np (}как указано на рис.1), первый (П₁) и третий (П₃) электронно-дырочные переходы смещаются в прямом направлении, а второй (П₂) - в обратном. Через переходы П₁ и П₃ в области, примыкающие к переходу П₂, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через Т. сначала растет медленно, что соответствует участку ОА на ВАХ (рис.2). В этом режиме Т. можно считать запертым, так как сопротивление перехода П₂ всё ещё очень велико (при этом напряжения на переходах П₁ и П₃ малы, и почти всё приложенное напряжение падает на переходе П₂). По мере увеличения напряжения на Т. снижается доля напряжения, падающего на П₂, и быстрее возрастают напряжения на П₁ и П₂, что вызывает дальнейшее увеличение тока через Т. и усиление инжекции неосновных носителей в область П₃. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен в), называется напряжением переключения U_пер (точка А на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, Т. переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи (точка В на ВАХ).

Процесс скачкообразного переключения Т. из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью можно объяснить, рассматривая Т. как комбинацию двух транзисторов (T₁ и Т₂), включенных навстречу друг другу (рис.3). Крайние области монокристалла являются эмиттерами (р-слой называется анодным эмиттером, n-слой - катодным), а средние - коллектором одного и одновременно базой др. транзистора. Ток i, протекающий во внешней цепи Т., является током первого эмиттера i_э1и током второго эмиттера i_э2. Вместе с тем этот ток складывается из двух коллекторных токов i_к1 и i_к2, равных соответственно a₁i_э1 и a₂i_э2, где "a₁ и a₂ - коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов T₁ и Т₂; кроме того, в его состав входит ток коллекторного перехода i_кo (так называемый обратный ток). Таким образом i =a₁i_э1 + a₂i_э2 + i_кo. С учётом i_э1 = i_э2 = i имеем

. При малых токах a₁ и a₂ значительно меньше 1 (и их сумма также меньше 1). С увеличением тока a₁ и a₂ растут, что ведёт к возрастанию i. Когда он достигает значения, называется током включения I_вк, сумма a₁+a₂ становится приблизительно равной 1, и ток скачком возрастает до величины, ограничиваемой сопротивлением нагрузки (точка В на рис.2). Всякий Т. характеризуется предельно допустимым значением прямого тока I_{пред (}точка Г на рис.2), при котором на приборе будет небольшое остаточное напряжение U_ocт. Если же уменьшать ток через Т., то при некотором его значении, называется удерживающим током I_{yд (}точка Б на рис.2), Т. запирается - переходит в состояние с низкой проводимостью, соответствующее участку ОА на ВАХ. При напряжении обратной полярности кривая зависимости тока от напряжения выглядит так же, как соответствующая часть ВАХ полупроводникового диода.

Описанный способ включения Т. (повышением напряжения между его СЭ) применяют в Т., называется вентилями-переключателями (реже неуправляемыми Т., или динисторами). Однако преимущественное распространение получили Т., включаемые подачей в цепь УЭ импульса тока определённой величины и длительности при положительной разности потенциалов между анодом и катодом (обычно их называют управляемыми вентилями или Т.). Особую группу составляют фототиристоры, перевод которых в состояние с высокой проводимостью осуществляется световым воздействием. Выключение Т. производят либо снижением тока через Т. до значения I_yд, либо изменением полярности напряжения на его СЭ.

Рис.4 Управляемый тиристор (в разрезе)

Рис.5 (а, Тиристоры (общий вид)

Рис.5 (в, Тиристоры (общий вид)

В соответствии с назначением различают Т. с односторонней проводимостью, с двухсторонней проводимостью (симметричные), быстродействующие, высокочастотные, импульсные, двухоперационные и специальные.

Полупроводниковый элемент Т. изготовляют из кремниевых монокристаллических дисков (пластин), вводя в Si добавки В, Al и Р. При этом в основном используют диффузионную и сплавную технологию. Конструктивно Т. выполняют (рис.4) в герметичном корпусе; для обеспечения механической прочности и устранения тепловых напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов расширения Si и Cu (материал электродов), между кристаллом и электродами устанавливают термокомпенсирующие вольфрамовые или молибденовые диски. Различают Т. штыревой конструкции - в металлических и металлокерамических корпусах, прижимные (с отводом тепла с одной стороны Т.) и таблеточные (с двухсторонним отводом тепла). Основные конструкции Т. - таблеточная и штыревая. Т. на токи до 500 а изготовляют с воздушным охлаждением, на токи свыше 500 а - обычно с водяным.

Современные Т. изготовляют на токи от 1 ма до 10 ка напряжения от нескольких в до нескольких кв; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ а/сек, напряжения - 10⁹в/сек, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мксек, время выключения - от нескольких единиц до нескольких сотен мксек; кпд достигает 99%.

Т. нашли применение в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии (см. Преобразовательная техника, Тиристорный электропривод), исполнительных и усилительных элементов в системах автоматического управления, ключей и элементов памяти в различных электронных устройствах и т.п., где они совместно с др. полупроводниковыми приборами к середине 70-х гг.20 в. в основном вытеснили электронные (электровакуумные) и ионные (газоразрядные и ртутные) вентили.