Д. В. Величко, В. Г. Рубанов

Д. В. Величко, В. Г. Рубанов

 

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

 

 

Динамика работы тиристора

Из рис.5.55 видно, что в точке А создаются необходимые условия для отпирания тиристора и он переходит из закрытого состояния в открытое (А - В). Напряжение на нем резко падает, а ток начинает протекать.

Если ток протекающий через тиристор станет меньше тока удержания

Iуд то тиристор закрывается (C - D).

 

 

Рис.5.55. Динамика работы тиристора

 

 

Эффект dU/dt

135 136

 

Рассмотрим влияние барьерной емкости перехода П2. Емкостной ток

При быстром нарастании основного напряжения на тиристоре Uак через него будет проходить емкостной ток, обусловленный наличием барьерных емкостей p-n -переходов (рис.5.56).

через переход П2 определяется следующим образом

 

dU

ICбар

= Сбар

· ак

dt

(5.5)

 

 

а)

 

 

б)

 

Рис.5.56. Влияние барьерной емкости перехода на работу тиристора

Чем больше скорость изменения основного напряжения на тиристоре, тем больше значение емкостного тока через переход. Этот ток, проходя через переходы П1 и П3, вызывает увеличение коэффициентов передачи тока, что приводит к включению тиристора при основном напряжении, меньшем напряжения включения.

Барьерные емкости переходов П1 и П3 являются причиной появления емкостных токов через эти переходы при быстром изменении напряжения на тиристоре. Емкостные токи не связаны с инжекцией носителей заряда, поэтому с увеличением скорости изменения напряжения включение тиристора должно происходить при напряжениях, больших напряжения включения, если учитывать только барьерные емкости этих переходов.

Практически барьерная емкость перехода П2 сказывается сильнее, так как она шунтирует большое активное сопротивление этого перехода, смещенного в обратном направлении при закрытом состоянии тиристора. Барьерные емкости переходов П1, П3 сами оказываются зашунтированными сопротивлениями этих переходов, смещенных при закрытом состоянии тиристора в прямом направлении. Поэтому напряжение включения тиристора с увеличением скорости нарастания основного напряжения уменьшается.

Однако, эффект dU/dt часто оказывается не положительным, а отрицательным свойством, так как может приводить к самопроизвольному включению тиристора, например при подключении источника питания (рис.5.57).

 

137 138

 

Принцип действия

При подаче анодного напряжения Еа емкость С начинает заряжаться через резистор Rа. Когда напряжение на емкости достигнет величины Uвкл - произойдет включение тиристора, его сопротивление резко упадет и конденсатор быстро разрядится через малое сопротивление ограничительного резистора Rогр. После этого цикл повторяется (рис.5.59).

 

Рис.5.57. Временные диаграммы, иллюстрирующие эффект dU/dt

 

Д. В. Величко, В. Г. Рубанов