Полупроводниковые приборы и устройства

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

 

БЕЛГОРОД 2006

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

УДК 621.382

ББК 32.852

В 27

 

 

Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор Курского государственного технического университета В. С. Титов.

Доктор технических наук, профессор Белгородского государственного университета Е.Г. Жиляков.

 

 

Д. В. ВЕЛИЧКО, В. Г. РУБАНОВ

 

Полупроводниковые приборы и устройства

 

 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению дипломированных специалистов - «Автоматизированные технологии и производства»

 

 

Белгород 2006

Величко, Д. В.

В 27 Полупроводниковые приборы и устройства: Учеб. пособие / Д. В. Величко, В. Г. Рубанов. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2006. – 184 с.

 

ISBN 5-000-00000-0

 

В пособии рассмотрены устройство, принцип действия, характеристики и параметры дискретных полупроводниковых приборов широкого применения; описаны типовые узлы современных электронных устройств. Кроме теоретических сведений даны описания экспериментальных лабораторных работ.

Учебное пособие предназначено для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: дипломированных специалистов специальностей «Автоматизированные технологии и производства», «Конструкторско- технологическое обеспечение машиностроительных производств» и бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», а также для студентов специальностей 220201 – Управление и информатика в технических системах, 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств.

 

Табл. 11. Ил.156. Библиогр: 14 назв.

 

УДК 621.382

ББК 32.852

 

 

© Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г.Шухова, 2006

 

125 126

 

Тиристоры

 

Тиристоры - полупроводниковые приборы с тремя и более p-n - переходами, вольт-амперные характеристики которых имеют участок отрицательного дифференциального сопротивления.

 

Тиристоры имеют два устойчивых состояния. Тиристоры с двумя выводами называются диодными (или динисторами), а с тремя выводами - триодными (или тринисторами).

 

Диодный тиристор (динистор)

 

Подключение анода динистора к положительному полюсу внешнего источника питания, а катода - к отрицательному, соответствует режиму прямого включения динистора. При обратной полярности напряжения источника питания имеет место обратное включение (рис.5.44).

 

 

Рис.5.44. Структура диодного тиристора Uак> 0 ("+" на аноде)

Рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре при подаче на него

прямого напряжения, т. е. при положительном потенциале на аноде. В

этом случае крайние p-n -переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а средний p-n -переход П2 смещен в обратном направлении.

В тиристоре происходит два взаимно противоположных процесса.

 

1. П2 ¯,

2. П1, П3 ­, Р2, n1 ­, П2 ­.

Б о льшая часть внешнего прямого напряжения падает на переходе П2. При увеличении напряжения Uак прямое смещение переходов П1 и П3 возрастает. Электроны из области n2 инжектируют в область р2, диффундируют через нее и экстрагируют в область n1. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует потенциальный барьер перехода П1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера перехода П1, вызывает увеличение инжекции дырок из области р1 в область n1. Инжектируемые дырки диффундируют к переходу П2 и экстрагируют в область р2. Дальнейшему их продвижению по структуре тиристора препятствует потенциальный барьер перехода П3. Следовательно, в области р2 происходит накопление избыточного положительного заряда, что приводит к увеличению инжекции электронов из области n2. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один переход приводит к увеличению тока через другой.

 

До тех пор, пока Uак < Uвкл - тиристор закрыт (процесс 1 преобладает над процессом 2). Когда Uак = Uвкл происходит регенеративный процесс быстрого отпирания тиристора (процесс 2 преобладает над процессом 1). В результате чего все три перехода становятся открытыми, и через него начинает протекать ток. При этом сопротивление динистора резко уменьшается и падение напряжения на нем не превышает 1-2 В (рис.5.45). Остальное напряжение источника питания падает на ограничительном резисторе.

 

127 128

 

Двухтразисторная модель тиристора

 

Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (модели), состоящей из двух транзисторов типа p-n-p и n-p-n, соединенных так, как показано на рис.5.46.

 

 

Рис.5.45. Вольт-амперная характеристика динистора

 

 

Пока ток протекающий через тиристор больше тока удержания Ia > Iуд

- тиристор открыт. Уменьшение тока до уровня Ia = Iуд вызывает запирание тиристора по анодной цепи.

 

Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом.

Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви вольт-амперной характеристики между нулевой точкой и точкой переключения. В закрытом состоянии к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал.

Открытое состояние тиристора соответствует низковольтному участку прямой ветви вольт-амперной характеристики.

 

Uак< 0 ("-" на аноде)

 

При обратном напряжении на тиристоре, т. е. при отрицательном потенциале на аноде, переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении, а переход П2 - в прямом. В этом случае нет условий для переключения тиристора, а обратное напряжение может быть ограничено либо лавинным пробоем переходов П1, П3, либо эффектом смыкания переходов в результате их расширения.

 

Рис.5.46. Двухтранзисторная модель тиристора

 

Из рассмотрения эквивалентной схемы видно, что ток тиристора I

является током первого эмиттера Iэ1 или током второго эмиттера Iэ2

 

Iэ1= Iэ2= I.

 

Iк1= 1 Iэ1, Iк2= 2 Iэ2.

Иначе, ток I можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов, равных соответственно

 

129 130

 

Кроме того, в состав тока I входит еще начальный ток коллекторного перехода

Условное графическое обозначение динистора имеет следующий вид

I = Iк1+ Iк2+ Iкбо.

Таким образом, можно написать

 

I = (1 + 2) I + Iкбо

или

 

IКБО