Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы (стр. 3 из 4)

Напряжение U_п.п обычно близко к величине U_m и для разных типов динисторов лежит в широких пределах от 25—50 до 1 000—2 000 в ( Эти цифры характерны для серийных динисторов. Можно изготовить аналогичные приборы с рабочими напряжениями всего в несколько вольт). Ток I_п.п лежит в пределах от долей микроампера до нескольких миллиампер в зависимости от материала и площади переходов.

На отрицательном участке 3 характеристика по-прежнему описывается формулой (3), которую, однако, можно упростить, полагая aI > I_k0. Тогда

U@U_M(1-a)^1/n (4)

где a увеличивается с ростом тока. Дифференцируя (4) по току, получаем сопротивление на этом участке:

r= - U_M (da/dI) / n(1-a)^[n-1]/n (5)

Отсюда видно, что величина сопротивления должна существенно меняться с изменением тока. Характер этого изменения определяется функцией a(I) и в общем случае может быть немонотонным. Однако чаще всего сопротивление r возрастает (по модулю) с ростом тока. Средняя величина ôrô между точками ПП и ОП лежит обычно в пределах от 5—10 до 50—100 ком.

Коллекторное напряжение, уменьшаясь на участке 3, делается равным нулю в точке Н (Точка Н обозначает границу режима насыщения—режима, в котором и эмит-терные, и коллекторный переходы работают в прямом направлении.). Из формулы (3) при U = 0 получаем соотношение

I=I_k0/[1- a] (6)

из которого определяется ток I_н. Поскольку этот ток несравненно больше, чем I_к0, его можно определять из условия

a = a₁ + a₃ @ 1 (7)

пользуясь графиками a (I).

Напряжение U_н является суммой напряжений на эмиттерных переходах, так как U_п2 = 0. Используя формулу U_Э=j_T ln(I_э/I`_э0+1+a_n(e^uk/yt-1)) при U_k=0, I_э = I_н и считая оба эмиттерных перехода одинаковыми, получаем:

U_н=2 j_T ln (I_э/I`_э0) (8)

Это напряжение составляет несколько десятых долей вольта у германиевых динисторов и 0,5—1 в — у кремниевых.

При токеI > I_н переход П₂, будучи смещен в прямом направлении, инжектирует носители навстречу тем потокам, которые поступают от эмиттеров. Инжектируемый компонент тока I_п2 равен разности между собираемым компонентом (a₁ I_п1+ a₃ I_п3) и полным током I_п2. Поэтому если для простоты положить a₁ = 0 (т. е. считать, что носители, инжектируемые переходом П₂. не доходят до эмиттеров) и принять условие U >>j_T для всех трех переходов, то напряжение на открытом динисторе можно выразить с помощью формулы U_Э=j_T ln(I_э/I`_э0+1+a_n(e^uk/yt-1)) в виде суммы напряжений на переходах:

U=j_T[ln(I_п1/ I_э01)-ln[(a₁I_п1+a₃I_п3)- I_п2]/ I_э02+ln (I_п3/I_э03)] (9 a)

(токи I`_э0 заменены на I_э0, так как принято a₁= 0).

Учитывая, что I_п1 = I_п2 = I_п3 = I и полагая токи I_э0 одинаковыми у всех переходов, получаем простое приближенное выражение:

U=j_T ln([I/I_э0]/[a-1]) (9 б)

Вблизи точки Н, где a @1, увеличение тока, а вместе с ним коэффициента а приводит к сильному увеличению разности a - 1 и напряжение несколько уменьшается (участок 4). В точке ОП напряжение достигает минимума и в дальнейшем растет с ростом тока (участок 5) за счет падения напряжения в толстой базе (Наличие толстой базы в структуре динистора характерно для большинства реальных приборов по конструктивно-технологическим причинам. Коэффициент переноса c в такой базе существенно меньше единицы, поскольку обычно w >> L. Это обстоятельство не препятствует работе динистора, если выполняется условие a₁+ a₃> 1. Более того, малый коэффициент переноса в толстой базе желателен, потому что при этом суммарный коэффициент a в области малых токов нарастает медленнее, а это обеспечивает большие напряжения переключения.).

Обычно параметры точек Н и ОП близки друг к другу, поэтому можно вычислять координаты точки ОП по формулам (8) и (9).

При отрицательном напряжении U переход П₂ оказывается смещенным в прямом направлении и дырки инжектируются в слой n₁, а электроны — в слой p₂. Переходы П₁ и П₃ смещены в обратном направлении и являются в данном случае коллекторными. Таким образом, динистор в этом режиме эквивалентен двум последовательно включенным транзисторам (р-п-р и п-р-п) с оборванными базами. Напряжение пробоя в такой комбинации зависит от типа переходов П₁ и П₃ (плавные или ступенчатые), а также от материала баз.

Важной проблемой при разработке динисторов и других аналогичных приборов является обеспечение плавного изменения коэффициента а в области малых токов. Действительно, как уже отмечалось, 2-й (переходный) участок вольт-амперной кривой (рис. 4) характерен заметной и растущей ролью слагаемого aI по сравнению с током I_k0 в формуле (3). Значит, чем медленнее увеличивается a c ростом тока, тем позднее (при больших токах) начнется 2-й участок и тем больше будет напряжение переключения, что обычно желательно в таких приборах. С этой точки зрения предпочтительным материалом для динисторов является кремний, так как у кремниевых переходов благодаря большей роли процессов генерации - рекомбинации коэффициент инжекции при малых токах близок к нулю и с ростом тока увеличивается весьма медленно. Еще одним преимуществом кремния является малая величина тока в запертом состоянии прибора. Однако, с другой стороны, кремниевые переходы характерны большей величиной прямого напряжения и большим сопротивлением слоев. Это ухудшает параметры динистора в открытом состоянии.

Рис. 5. Структура тринистора.

Чтобы ослабить зависимость a (I) при малых токах (особенно у германиевых структур), часто шунтируют эмиттерный переход небольшим сопротивлением R. Тогда значительная часть общего тока ответвляется в это сопротивление, минуя эмиттер. Тем самым эмиттерный ток, а вместе с ним и коэффициент а при прочих равных условиях уменьшаются.

В последнее время одну из баз динисторов обычно легируют золотом. Цель такого легирования - уменьшить время жизни и тем самым время переключения. При этом одновременно возрастает отношение w/L (поскольку L =(dt) ^1/2), а значит, и коэффициент a, что опять-таки способствует повышению напряжения переключения.

Тринистор. Снабдим одну из баз динистора, например п₁, внешним выводом и используем этот третий электрод для задания дополнительного тока через переход p₁-n₁ (рис. 5) (Реальные четырехслойные структуры характерны различной толщиной баз. В качестве управляющей используется тонкая база, у которой коэффициент передачи a₁ близок к единице.). Тогда получится прибор, обладающий свойствами тиратрона. Для такого прибора (тринистора) принята та же терминология, что и для обычного транзистора: выходной ток называется коллекторным, а управляющий — базовым. Эмиттером считается слой, примыкающий к базе, хотя с физической точки зрения эмиттером является и второй внешний слой (в нашем случае п₂). Условное обозначение тринистора вместе с семейством характеристик показано на рис. 6. Как видим, увеличение управляющего тока I_б приводит прежде всего к уменьшению напряжения прямого переключения. Кроме того, несколько возрастает ток прямого переключения, а ток обратного переключения уменьшается.В результате отдельные кривые с ростом тока I_б как бы «вписываются» друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательного участка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).

Элементарный анализ тринистора можко провести, исходя из формулы (1), в которой нужно положить I_п3 = I_п2 = I_k и I_п1 = I_k + I_б. Тогда вместо формулы (2) получим для тока I_k более общее выражение

I_k = (MI_k0+(Ma₁)I_б)/(1-Ma) (10)

Здесь по-прежнему a = a₁ + a₃ — суммарный коэффициент передачи, в котором составляющая a₃ является функцией тока I_k, а составляющая a₁ - функцией суммы токов I_k + I_б. Задавая положительный ток I_б, мы тем самым задаем начальное значение коэффициента a₁ (при I_k ==0). Поэтому любому току I_k будет соответствовать большее значение a, а значит, и большее значение а, чем при I_б = 0.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тринистора при положительном токе базы.

Решая (10) относительно M и используя выражение для характеристики в области ионизации, не-. трудно представить вольт-амперные характеристики тринистора в форме U_к (I_к):

U_к =U_m[(1- a I_к + I_к0 +a₁I_б)/ I_к]^1/n (11)

В частном случае, при I_б = 0, получается характеристика динистора (3). Выражение (11) ясно показывает, что данному току I_к соответствует тем меньшее напряжение U_k, чем больше ток I_б (рис.6). Рассмотрим отдельные участки этого семейства.

На начальном участке мы имеем по существу семейство характеристик обычного транзистора в схеме ОЭ.

Координаты точек прямого переключения определяются, как и в динисторе, условием dU_k/dI_k, == 0. Анализ показывает, что ток I_п.п возрастает с увеличением тока базы.

На рис. 7 показана пусковая характеристика тринистора, т. е. зависимость U_п.п(I_б).

Координаты точки Н, в которой напряжение на коллекторном переходе П₂ падает до нуля, определяются условием U_k = 0 в формуле (11).

Так же как в динисторе, можно в этой точке считать a @ 1 и определять ток I_н из условия