Тиристоры.

Довольно многочисленная группа приборов, предназначенная для коммутации. В некоторых из них малый ток позволяет переключать большой. В некотором смысле это аналог механического выключателя .

В эту группу входят следующие приборы.

- Динисторы, неуправляемые переключатели. Состояние определяется только величиной приложенного напряжения. Электроды называются «Анод» и «Катод», рис.1.

Рис. 1 Обозначение динистора

- Тринисторы, именно их и называют не совсем корректно тиристорами. Это управляемые переключатели, имеющие управляющий электрод (УЭ). Небольшой ток этого электрода осуществляет коммутацию большого тока протекающего по аноду и катоду. Управление может осуществляется по к атоду а) и по аноду б), рис.2.

А К

Uупр

УЭ а)

УЭ

Рис.2 Управляемые тиристоры

- Симисторы, симметричные тиристоры, не требуют для работы определенной полярности напряжения. Имеются неуправляемые а) и управляемые б).

Рис. 3. Симисторы

Кроме того, имеются тиристоры с двумя управляющими электродами, фототиристоры, тиристоры, работающие на включение и выключение и др.

Принцип действия тиристора.

На рис. 4 показана структура динистора, неуправляемого тиристора. Подадим на анод положительное напряжение.

Рис. 4. Структура динистора.

Эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 открываются и через них начинается движение носителей; электроны из эмиттера Э1 инжектируют в базу Б1, а дырки подобное движение совершают в базу Б2. Базы имеют небольшую толщину, коллекторный переход смещен в обратном направление и на нем возникает значительная напряженность электрического поля. Это поле определяет дальнейшее положение инжектированных зарядов. Электроны под действием поля будут выводится в базу Б2 и та задерживаться электрическим полем, хотя и небольшим, эмиттерного перехода ЭП2. В результате в базе Б2 образуется отрицательный неравновесный заряд. Подобным же образом в базе Б1 образуется положительный неравновесный заряд дырок.

Накопление зарядов в базах при определенной величине последних приводит к открытию коллекторного перехода. Этот процесс эквивалентен включению дополнительного источника на коллекторный переход КП. Его открытие приводит к увеличению тока через структуру, что увеличивает неравновесные заряды, что опять же таки увеличивает ток и т. д. Таким образом процесс включения динистора идет лавинообразно, ток сам себя увеличивает. Это положительная обратная связь. возникающая не за счет обратных связей а из за физических процессов в структуре.

Существует еще причина увеличения тока, как то явления пробоя коллекторного перехода, что способствует рассмотренному явлению.

Эти процессы формируют Вольт – Амперную характеристику динистора, которая показана на рис. 5. На ней можно выделить три характерных участка.

Участок 0-1, тиристор выключен, ток весьма небольшой и определяяется обратно смещенным коллекторным переходом. Как и в транзистора это ток неосновных носителей I₀.

Участок 1-2. Здесь в точке Uвкл начинается процесс накопления неравновесных зарядов в базе, начинается лавинообразное нарастание тока. Это участок перехода в открытое состояние.

Участок 2-3. Тиристор открыт, все три перехода открыты. Это участок открытого состояния, по характеру ВАХ он напоминает характеристику диода, только с тем отличием, что здесь три последовательно включенных диода (два ЭП и один КП).

Рис. 5. ВАХ динистора

Параметры динистора, которые приводятся обычно в справочнике, следующие.

1. U_вкл - напряжение включения, имеет величину 50 -150 В, что затрудняет совместную работу динистора и транзистора.

2. I_min – минимальный ток удерживает открытое состояние.

3. U_ост – остаточное напряжение (три последовательно включенных диода 1.5-2 В).

4. I_mах – максимальный ток, который может пропустить динистор

5. τ_{вкл/выкл} – быстродействие тиристора.

Управляемый тиристор (тринистор или просто тиристор) отличается тем, что одна из средних областей (одна из баз) имеет отдельный вывод и называется управляющим электродом, рис. 6. Его роль следующая. Управляющее напряжение U_упр открывает эмитттерный переход (см. Рис. 2, 6), за счет чего накопление неравновесного заряда, необходимого для открытия КП, происходит при меньших напряжениях на аноде. В принципе, чем больше ток в цепи управляющего электрода, тем больше неравновесный заряд в базе и тем меньше требуется тока а, следовательно, и напряжения для открывания тиристора. Происходит снижение напряжения включения, Uвкл (см. рис. 5). Управляющий ток , при котором Uвкл =Uост называется током спрямления, а сама ВАХ спрямленной.

Рис. 6 Структура управляемого тиристора

Таким образом, достигается основная цель – согласование по рабочим напряжениям транзисторов и тиристоров. ВАХ управляемого тиристора при различных токах управления Iуп приведена на рис. 7.

Ia

Uост

Спрямленная характеристика

I_y3 > I_y2 > I_y1

0

I₀

Ua

Рис. 7. Вольт-Амперная характеристика тиристора

После открытия тиристора по структуре идут большие токи. Выключить тиристор можно только снижением анодного напряжения, при котором ток анода будет меньше, чем требуется для поддержания открытого состояния. Однако существуют тиристоры работающие на выключения, но они требуют больших токов по управляющему электроду. Параметры тиристора следующие.

1. Допустимое напряжение на аноде Ua доп.

2. Прямой максимальный ток I а доп (имеет большую величину, так как малое остаточное Uост обеспечивает небольшую мощность рассеиваемую кристаллом).

3. Остаточное напряжение Uост.

4. Ток спрямления Iу спр по цепи управляющего электрода.

5. Допустимое обратное напряжение.

6. Параметры характеризующие быстродействие τ_вкл и τ_выкл.

Область применения тиристоров – силовая электроника. Это электропривод, переключатели в силовых цепях, выпрямители и т. д. На рис. 8 приведена упрощенная схема выпрямителя с импульсным регулирование напряжения.

U_упр

+ -

220В R_н

Рис. 8. Тиристор в схеме выпрямителя.

Схема работает следующим образом. На тиристор подается переменное синусоидальное напряжение, но откроется он только при двух условиях:

- при положительной полуволне напряжения на аноде,

- при подаче импульса на управляющий электрод.

Эти процессы показаны на рис. 9. При отрицательной полуволне на ано-

Рис. 9. Работа регулируемого выпрямителя.

де тиристора он закроется и в нагрузке появятся однополярные импульсы тока, в которых имеется постоянное напряжение. Идея регулирования заключается в следующем. Если сдвигать во времени управляющие импульсы, то будет меняться длительность тока в нагрузке и, следовательно, и выпрямленное напряжение. При сдвиге влево напряжение растет, вправо – уменьшается.

Полупроводниковые источники света.

Область применения: волоконно-оптические системы связи, средства индикации и вывода информации, оптроны.

Имеется два вида полупроводниковых источников света:

- светоизлучающие диоды (СИД),

- полупроводниковые лазеры (ПЛ).

Светоизлучающий диод

Структура светоизлучающего диода приведена на рис. 10. При прямом напряжении начинается инжекция носителей из эмиттера в базу, в нашем примере это дырки.

Рис.10. Структура светодиода

Дырочный ток в базе постепенно уменьшается за счет рекомбинации с электронами, которых в базе достаточно много. Изменение дырочного тока показано на рис. 11.

Рис. 11. Ток дырок в базе.

При рекомбинации выделяется энергия. Обычно светодиоды изготавливают из арсенида галлия GaAs и GaAlAs.

В этом материале возникает световое излучение – поток фотонов, то-есть выделяется световая мощность. Параметры излучения зависят от ширины запрещенной зоны материала. На рис. 12 показана зонная диаграмма полупроводника. При рекомбинации свободный электрон «спускается » из зоны проводимости в валентную зону и это сопровождается излучением кванта энергией равной ширине запрещенной зоны, Wк=ΔW. Но по закону Энштейна Wк=hν=hc/λ, где:

h – постоянная Планка,

ν – частота излучения,

с – скорость света,

λ – длина волны излучения.

Рис. 12. Зонная диаграмма полупроводника.

Поскольку все это привязано к ширине запрещенной зоны, излучение носит избирательный характер, спектральная характеристика светодиода приведена на рис. 13.

Рис. 13 Спектральная характеристика СИД.

Несколько замечаний по ней.

- Длина волны максимального излучения зависит от материала. Для индикации применяют светодиоды желтого и красного свечения.

- Характеристика свидетельствует о широкой полосе излучения. Это объясняется различной энергией электронов в зоне проводимости и энергетические уровни, между которыми осуществляется переход, различны.

- Переход электронов на нижние уровни осуществляется не согласованно, хотя каждый и дает квант энергии. Это некогерентный источник света.

- В конструкции СИД имеется обычная фокусирующая линза.

Имеются и другие параметры светодиода.

1. Мощность излучения, обычно Р_из = 1-10 мВт.

2. Вольт – Амперная характеристика, напоминает характеристику диода, но может иметь большую величину порогового напряжения.

3. Модуляционная характеристика, рис. 14, зависимость мощности излучения от прямого тока.

Рис. 14. Модуляционная характеристика

Рабочий участок линейный, но при больших токах происходит насыщение центров рекомбинаций и мощность не увеличивается.

4. Имеются параметры быстродействия, время включения и время выключения. Обычно эти времена позволяют работать на частотах до 200 МГц.

5. Деградация. Со временем происходит перемещение атомов примесей в кристалле и начинают увеличиваться безизлучательные переходы при рекомбинации и мощность излучения снижается. СИД работает 10⁴ – 10⁵ часов (6-8 лет).

Наилучшие параметры имеют светодиоды, изготовленные на основе гетеропереходов, например, GaAlAs-p и GaAs-n (Рис. 15).

Рис. 15. Гетеропереход

В таких структурах преобладающее движение носителей заряда одного типа не связано с примесью, как в гомопереходе. В результате инжекция сохраняется при больших плотностях тока через переход и модуляционная характеристика линейна в широком диапазоне (рис. 14). Другая особенность связана с различием оптических свойств базы и эмиттера. Напомним , что носители идут из эмиттера в базу и та рекомбинируют. База – активная область и далее из нее надо вывести излучение с минимальными потерями. В гетероструктурах излучение выводится через эмиттер, который дает малое ослабление и обладает широкой полосой пропускания.

Полупроводниковый лазер.

Теория лазера хорошо изложена на сайте naf-st.narod.ru. Воспользуемся ими.

Для эффективного использования света в технике связи и других областях науки и техники надо добиться синхронного и синфазного (одинакового по фазе) излучения атомов, т. е. так называемого когерентного излучения. Впервые идею такого излучения высказал в 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант. Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Допустим, имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого фотона и т. д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать значения - 10²⁰. Важно, что в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным. Рассмотренная схема получения когерентного излучения является весьма упрощенной, но зато она наглядно поясняет принцип усиления света.

Реально же кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных дать когерентное излучение под действием фотонной бомбардировки, всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и тем самым уменьшают энергию когерентного излучения, т. е. уменьшают усиление света.

Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, то никакого усиления света не получится, так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами. Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии. Другими словами, должна быть так называемая инверсия населенности энергитических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на основных орбитах (на более низких уровнях), необходимо в большинстве атомов "переселить" электроны на более удаленные от ядра орбиты (на более высокие уровни), т. е. возбудить большинство атомов. Конечно, чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо все это время сохранять инвертированное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого и надо к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веществом, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс называется накачкой.

Вышерассмотренный процесс создания усилителя света получил название лазер.

Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1953 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (СССР), а также американец Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии за исследования в области квантовой электроники. Принцип лазера, иначе называемого оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 16).

Рис. 16 - Принцип устройства лазера

В пространстве заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча. Небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т. д..

Конечно, какой-то внешний источник энергии должен поддерживать инверсное состояние активной среды, и тогда через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Следует отметить, что система двух или нескольких зеркал, в пространстве между которыми могут существовать стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона, называются открытым или оптическим резонатором. Простейший оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал, называется иначе интерферометром Фабри-Перро.