превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет т.н. инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения, что видно из его выходных характеристик (рис.15) и характеристик управления (рис.16). Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа.

Параметры МПД-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с n- p-переходом.

Транзисторы с изолированным затвором имеют преимущества в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств, отмеченных для полевых транзисторов с p-n-переходом, и, кроме того, обладают еще рядом достоинств. Сопротивление изоляции затвора у них представляет собой входное сопротивление постоянному току на низких частотах и достигает 1012 1015 Ом. Важно, что входное сопротивление остается большим при любой полярности напряжения затвора. Входная емкость может быть меньше 1 пФ, и предельная частота доходит до сотен МГц. Разработаны мощные (до десятков Вт) транзисторы и изолированным затвором, имеющие крутизну 10 мА/В и больше, и работающие на частотах до сотен МГц.

Транзисторы и изолированным затвором могут применяться во всех схемах, рассмотренных выше (ОИ, ОЗ и ОС.)

Следует отметить, что изготовление полевых транзисторов по планарно- эпитаксиальной технологии сравнительно несложно и упрощает создание микроэлектронных схем. Особенно просто изготавливаются МПД-транзисторы с индуцированным каналом, т.к. в кристалле надо сделать лишь две области – истока и

стока. При работе с МПД-транзисторами следует принимать меры предосторожности для предотвращения пробоя тонкого слоя диэлектрика между затвором и каналом под действием статических электрических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе. Необходимо, чтобы при транспортировке и монтаже электроды у транзисторов были замкнуты накоротко. Эти замыкающие проводнички удаляют только по окончании монтажа, когда выводы транзистора уже впаяны в схему.

2.4. Тиристоры (VS)

Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (VS закрыт) и состоянием высокой проводимости (VS открыт).

Перевод VS из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу таких воздействий относятся воздействия напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Тиристоры используются в цепях эл. питания устройств связи и энергетики, различных автоматических управляющих устройствах в качестве регуляторов освещения, устройствах цветомузыки и т.д.

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них не три, а четыре (и более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется. Вследствии этого в тиристоре образуется три и более перехода вместо двух, как у биполярного транзистора. Рассмотрим устройство тиристора (рис. 1). Крайнюю область Р1 называют анодом, крайнюю область N2 – катодом.

§ 1. Принцип действия.

Подадим на тиристор напряжение «+» к аноду, «–» к катоду. При такой полярности включения внешнего напряжения к крайним переходам П1 и П3 приложено прямое напряжение, а к среднему переходу П2 – обратное. Следовательно, переходы П1 и П3 открыты, а П3 – закрыт. Это приводит к тому, что большая часть внешнего напряжения приложена к переходу П2, имеющему очень большое сопротивление, и только незначительная часть этого напряжения приложена к переходам П1 и П3, сопротивление которых намного меньше. При этом VS находится в закрытом состоянии, благодаря большому сопротивлению перехода П2.

Для того, чтобы осуществить переключение, т.е. открыть VS, необходимо скомпенсировать потенциальный барьер на границе областей N1 – P2. Рассмотрим, как это происходит.

VS, имеющий три p – n – перехода, удобно представить в виде двух биполярных транзисторов p – n – p и n – p – n. Это дает возможность для анализа работы тиристора использовать положения и выводы из теории работы биполярных транзисторов.

Как видно из рис.2, оба транзистора работают в активном режиме. На эмиттерные переходы P1N1 и N2P2 подается прямое напряжение, на коллекторный переход P2N1, общий для обоих транзисторов, – обратное напряжение.

остальные перебрасываются в коллектор P2, создавая в нем избыточный положительный заряд. Напомним, что за счет обратного напряжения на границе перехода имеется двойной электронный слой, состоящий из нескомпенсированных положительных зарядов в области N1 и отрицательных зарядов в области P2, которые образуют потенциальный барьер.

Избыточные электроны в области N1 и дырки в области P2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер на границе перехода

P2N1. При повышении внешнего напряжения, приложенного между анодом и катодом, возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П3, большее число носителей заряда переходит на коллекторы соответствующих транзисторов. Это приводит к возрастающему накоплению избыточных зарядов основных носителей в областях P2 и N1, что способствует понижению потенциального барьера на переходе П2 вплоть до его полной компенсации.

При полной компенсации обратного напряжения на коллекторном переходе он откроется и его сопротивление будет таким же малым, как и у обоих эмиттерных переходов, ток тиристора резко возрастет.

§ 2. Математический анализ работы тиристора (не нужно).

Обозначим эмиттерный ток транзистора n – p – n через Iэ2, коллекторный ток Ik2 = α2·Iэ2, эмиттерный ток транзистора p – n – p: Iэ1, коллекторный

ток Ik1 = α1·Iэ1, где α1 и α2 соответственно коэффициенты передачи тока транзисторов p – n – p и n – p – n.

Кроме коллекторных токов Ik1 и Ik2 через коллекторный переход течет еще и обратный ток этого перехода Iкбо. Отсюда суммарный ток через коллекторный переход:

I = Ik1 + Ik2 + Iкбо = α1·Iэ1 + α1·Iэ1 + Iкбо

Все переходы в тиристоре соединены последовательно, и тиристор имеет два вывода. Поэтому результирующий ток I и токи Iэ1 и Iэ2 равны между собой:

I = Iэ1 = Iэ2. Отсюда:

I = α1·I + α2·I + Iкбо

Рассмотрим полученный результат, исходя из анализа работы тиристора. Коэффициент передачи тока биполярного транзистора α является функцией тока Iэ (рис.3). Чем меньше ток Iэ, тем больше вероятность рекомбинации инжектированных в базу носителей, и значение α мало. С ростом Iэ вероятность рекомбинации в базе понижается, и α повышается, все большее количество электронов и дырок перебрасывается в свои коллекторные области, создавая там избыточные заряды, которые понижают потенциальный барьер на переходе П2. Следовательно, в тиристоре при повышении напряжения между анодом и катодом растут эмиттерные токи транзисторов p – n – p и n – p – n, значит растут и α1 и α2.

При α1 + α2 = 1 произойдет переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. Действительно, пока коллекторный переход был закрыт, а его сопротивление было очень велико, результирующий ток I был очень мал и близок к значению тока Iкбо. Когда коллекторный переход открывается, его сопротивление очень мало и результирующий ток становится током открытых p – n – переходов.

Таким образом, необходимым условием перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение α1 и α2 при возрастании тока через эмиттерные переходы. Эта зависимость у кремниевых полупроводниковых приборов выражена гораздо сильнее чем у германиевых, что объясняется большей шириной запрещенной

зоны. Кроме того, по этой же причине обратные токи в кремниевых приборах меньше чем в германиевых при меньшей зависимости от температуры. Этим объясняется то, что тиристоры изготовляются только из кремния.

Для того, чтобы понизить значение коэффициента α при малых токах, одну из средних областей тиристора делают гораздо большей по ширине, чем диффузионная длина для неосновных носителей заряда этой базы. В результате повышается вероятность рекомбинации в базе, что, естественно, понижает α.

базы Рис. 4. - Структура тиристора с шунтированием электронного перехода областью

При подаче обратного напряжения в точки А – К переходы П1 и П3 окажутся под обратным напряжением, а П2 под прямым. В этом случае в цепи тиристора будет протекать очень незначительный ток неосновных носителей и общее сопротивление тиристора будет очень большим.