Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы (стр. 1 из 4)

1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРЫ

Наряду с приборами, дающими возможность осуществлять линейное усиление сигналов, в электронике, в вычислительной технике и, особенно в автоматике широкое применение находят приборы с падающим участком вольтамперной характеристики. Эти приборы чаще всего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротивлением.

10—15 лет назад в схемах электронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонаполненный прибор — тиратрон. При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящим и замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостного биполярного транзистора появилась в самом начале 50-х годов и четырехслойная структура, получившая вначале название «хук-транзистор», или транзистор с ловушкой в коллекторе.

Несколько позже было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и транзистор).

В ходе развития полупроводниковой техники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характеристиками, хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определение тиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.

Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терминологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, называется триод-тиристором. Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.

Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. считать правую n-область коллектором, и подать на нее отрицательное по отношению к базе (средняя n-область) смещение, а эмиттер (левая р-область) временно оставить разомкнутым, то подключенную к источнику питания

рис.1 Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-п-р-п с двойным переходом (ловушкой) в коллекторе.

часть транзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику питания. База этого условного транзистора к схеме не подключена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).

Так как в данном случае мы имеем дело не с транзистором р-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что коллектором этого условного транзистора должен быть электрод, к которому подводится положительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому подводится отрицательное напряжение. Другими словами, полярность приложенного к условному транзистору напряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеет смещение в прямом направлении.

Обозначая двумя штрихами величины, относящиеся к этому условному транзистору, запишем

I’’_к= I’’_э =(B’'₀+1)* I’’_к0

Отметим, что для структуры р-п-р-п в целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенном эмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматриваемой нами структуре, будем записывать без индексов. Таким образом,

I_к0 = I’’_к =(B’'₀+1)* I’’_к0

т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-п в (B’'₀+1) раз превосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р-п.

Так как выходным электродом условного транзистора п-р-п является его эмиттер, а коллектор подключен к заземленной точке, то можно считать, что условный транзистор включен по схеме с общим коллектором. Входным электродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р-область.

Для транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно

ê I’’_э ê I’’_э 1 1

ê I’’_б êI’’_э- êI’’_к 1- êI’’_к/êI’’_э 1 - a’’₀

Следовательно, изменение тока базы условного транзистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1 - a’’₀ ) раз большему.

Если подать смещение в прямом направлении на левый р-п переход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, включенный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условного транзистора I’_э будет, очевидно, равен току эмиттера I_э структуры р-п-р-п.

Таким образом, получаем, что структура р-п-р-п представляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостных транзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором

п-р-п, включенным по схеме с общим коллектором. Рис а, б

Так как области n₁ и n₂ практически представляют собой одну и ту же n-область, связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p₁ и р₂ соединенными проводником.

Усиление по току структуры в целом определяется соотношением

a₀ =a’ ₀/[1-a’’ ₀]

Таким образом, при условии, что коэффициент усиления по току каждого из условных транзисторов ( a’₀, и a’’₀) меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры

а) б)

Схематическое изображение двух стадий (а и б) разделения транзистора р-п-р-п на два условных триода р-п-р и п-р-п

р-п-р-п в целом может значительно превышать единицу. Поясним механизм работы этой структуры с помощью энергетических диаграмм рис. 2. Когда отсутствует внешнее напряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2 а) будет иметь вид, представленный на рис. 2 б

Дополнительный потенциальный барьер в коллекторе принято обычно называть ловушкой, в связи с чем структуру типа р-п-р-п иногда называли транзистором с ловушкой в коллекторе.

Когда приложены внешние напряжения указанной выше полярности, высота потенциального барьера среднего перехода резко возрастает, а высота левого и правого потенциальных барьеров несколько понижается. Если рассматривать только теоретическую модель, т. е. пренебречь падением напряжения на распределенном сопротивлении, то высота левого барьера понизится на величину приближенного к эмиттеру напряжения, а высота правого барьера на величину, определяемую током I’_к, протекающим через этот переход рис.в

Изменение напряжения между эмиттером и базой приводит к инжекции дырок в среднюю n-область. Диффундируя через среднюю n-область и попадая через запертый переход в среднюю р-область, дырки повышают концентрацию основных носителей в этой области.

Повышение концентрации основных носителей в средней р-области приводит к понижению высоты правого р-п перехода и инжекции электронов из правой n-области в среднюю р-область. Электроны проходят среднюю р-область и уходят через потенциальный барьер в среднюю n-область. Часть из них рекомбинирует в р-области.

Условие равновесия и электрической нейтральности требует чтобы число дырок, вошедших в р-область, было равно числу электронов рекомбинировавших при движении через p-область.

Отсюда ясно, что поскольку рекомбинирует в объеме 1 - a’’₀ от всех вошедших в этот объем электронов то появление в средней р-области некоторого количества дырок