Литература

1. Лачин В.И., Савёлов НО. Электроника: Учебное пособие. — Ростов н/Д: изд - во «Феникс», 2000. — 448 с.

2. Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника. Киев. Высшая школа. 1989.

3. Исследование полевых транзисторов. Методические указания к лабораторным работам по электронным приборам. Сост: В.И. Лачин, А.К. Малина, Н.Г. Кононенко, ТП. Кононенко Новочеркасск: НГТУ, 1998. — 27 с.

4. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. М.: Мир, 1983, 1993.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справ. М.: Радио и связь, 1990.

7. Основы промышленной электроники 1 Под ред. А.М. Герасимова М.: Высшая школа, 1986.

8. Полупроводниковые приборы. диоды: Оправ. М.: Радио и связь, 1990.

9. Оптоэлектронные приборы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990.

Глава 4: «приборы с отрицательным сопротивлением»

(динисторы и тиристоры)

Изучить по рекомендованной литературе и сведениям, приведенным в Приложении ДТ4, следующие вопросы:

1) принцип работы динистора;

2) принцип работы тиристора;

З) вольтамперные характеристики (ВАХ) динистора и его параметры;

4) вольтамперные характеристики (ВАХ) тиристора и его параметры;

5) область применения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДАННОЙ ТЕМЕ

1. Выписать из справочной литературы [8] основные параметры для заданного (в соответствии с Вашим шифром) в таблице 1 типа тиристора.

Перечень основных параметров, которые необходимо выписать, приводится ниже.

Электрические параметры:

1). Статические параметры

― Параметры анодной цепи

U_ОС ― остаточное напряжение, напряжение в открытом состоянии.

Токи утечки:

I_ЗС ― постоянный ток в закрытом состоянии (ток управления I_У =0, анодное напряжение U_А > 0 ).

I_ОБР ― постоянный обратный ток (U_А =U_{ОБР МАК} ).

― Параметры цепи управления

U_{У ОТ} ― отпирающее постоянное напряжение управления;

U_{У НОТ} ― неотпирающее постоянное напряжение управления.

2). Динамические параметры

t_ВКЛ ― время включения;

t_ВЫКЛ ― время выключения.

Предельно допустимые параметры:

―Анодная цепь

U_{ЗС МАК} ―постоянное напряжение в закрытом состоянии;

U_{ЗС МИН} ―минимальное прямое напряжение в закрытом состоянии;

I_{ОС МИН} ― минимальный ток в открытом состоянии (ток удержания).

― Цепь управления

I_{У МАК} ― постоянный прямой ток управления;

― постоянное обратное напряжение управления;

Р_{СР МАК} ― средняя рассеиваемая мощность.

2. Ответить на вопрос из приведенного ниже перечня контрольных вопросов.

Номер вопроса должен соответствовать номеру Вашего шифра.

При ответе воспользоваться рекомендованной литературой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите структуру и схему двух - транзисторного аналога тиристора?

2. В чем заключается принцип действия тиристора (на физическом уровне)?

3. Как зависят коэффициенты передачи тока α 1и α 2 от тока I ?

4. Какое влияние оказывает ток управления I_У на процесс переключения тиристора?

5. Охарактеризуйте основные участки ВАХ тиристора?

Приборы с отрицательным сопротивлением

6. Как изменяется дифференциальное сопротивление цепи анода при переходе тиристора из закрытого состояния в открытое (участки ВАХ 0-1, 2-3 соответственно)?

7. В каких точках ВАХ дифференциальное сопротивление равно нулю?

8. Как изменится ВАХ тиристора при увеличении тока управления I_У ?

9. Охарактеризуйте основные параметры тиристора.

10. Как обеспечить надежную работу тиристора.

11. Приведите схемы включения тиристора, поясните, как его можно включить и выключить.

ЛИТЕРАТУРА: [1, с. 112- 124]; [3, с.9 - 17]; [9 с. 38-40].

Приложение ДТ4

Теоретические сведения о работе динисторов и тиристоров

Основное назначение рассматриваемых приборов - работа в различных ключевых схемах и источниках питания в качестве управляемых диодов.

Условные обозначения динистора и тиристора на принципиальных схемах приведены на рис.4.2 ; по аналогии с диодами два внешних вывода от крайних областей р и n называются анод и катод соответственно (это анодная, силовая цепь); у тиристора имеется еще цепь управления и третий вывод - управляющий электрод.

Принцип работы

Если к аноду приложено более положительное напряжение, чем к катоду, то такое напряжение является прямым и, при определенных условиях, прибор переключится в открытое состояние, (сопротивление R = 0; проводимость, J = ∞). При приложении напряжения противоположной полярности (обратного напряжения) и динистор, и тиристор ведут себя так же как диод, т.е. закрываются, J = 0; R = ∞.

а) б)

Рисунок 2 1.1. Структура и условное обозначение на схеме:

а — динистора; б - тиристора.

Основные электроды приборов: А - анод, К - катод, У - управляющий электрод.

а) б)

Рисунок 21.2. двух – транзисторный аналог:

а - динистора; б - тиристора.

Приборы с отрицательным сопротивлением

{ Математическое описание аналога динистора (рис. 21.2), определяющее ток через структуру I_а в зависимости от токов: коллектора I_К1, I_К2; эмиттера I_Э1, I_Э2; базы I_б1, I_б2; коэффициентов передачи тока эмиттера 1, 2 транзисторов р-n-р (индекс 1), п-р-п (индекс 2) и теплового тока I_К0 через коллекторный переход П2 (рис.4.2), имеет вид:

I_а = I_К1 + I_К2 + I_КО ,

так как I_К1= 1× I_Э1, I_К2 = a2 × I_Э2 , то

I_а = 1× I_Э1 + 2× I_Э2 + I_КО 

Если учесть М - коэффициент умножения носителей зарядов в области закрытого коллекторного перехода П2, выражение для анодного тока I_а примет вид:

I_а = М × (1× I_Э1 + 2× I_Э2 + I_КО ) 

Учитывая, что I_а = I_Э1 = I_Э2 = I, и принимая  = a1+ a2, получаем окончательное выражение:

.

Эти формулы нужно знать и уметь их выводить, анализируя работу модели (двух – транзисторного аналога) динистора.

Ниже поясняется принцип работы рассматриваемых в контрольной работе приборов, физический смысл приведенных выражений и методика их получения}.

Как сказано выше, принцип работы динистора можно пояснить, представив его структуру (рис.21 .1) в виде включённых определённым образом транзисторов р-n-р и n-р-n (рис.21.2); при таком включении коллектор одного транзистора связан с базой другого и наоборот. Анализируя работу модели можно видеть, что в структуре динистора существует положительная обратная связь (ПОС) по току за счёт взаимного усиления токов в его двух - транзисторном аналоге (рис.21.2):

I_К2 = a1×I_Э1 I_К1 = a2× I_Э2 . (П. 4.1)

Наличие ПОС поясняет процесс переключения динистора под воздействием прямого напряжения U_а, приложенного между его анодом и катодом (А+К-, рис.21.2). Положительное напряжение U_а открывает переходы П1, ПЗ и запирает П2. В соответствии со 2-м законом Кирхгофа можно записать выражение, определяющее U_а как сумму падений напряжений на переходах (с учётом знаков напряжений)

U_а = U_П1 ― U_П2 + U_П3 , (П. 4.2)

т.к. U_П1, U_П3 << U_П2 , то можно считать, что U_П2 =―U_а.

Теперь нужно установить связь между током I, протекающим через структуру, и приложенным напряжением U_а. Основными составляющими тока I являются собственный (обратный тепловой) ток I_КО обратно - смещённого р—n перехода П2 и токи дырок a1 × I_Э1 и электронов a2 × I_Э2, инжектированных (испускаемых) эмиттерами Э₁ и Э₂ соответственно (рис.21.2 , формулаП4. 1):

I = I_КО + a1 × I_Э1 + a2 × I_Э2 . (П. 4.3)

Так как переходы включены последовательно, то iэ1Iэ2=I и (П.4.3) можно записать в таком виде:

I_КО = I ×(1― a1 ― a2), т.е.

. (П. 4.4)

Рассматривая выражение (П.4.4) применительно к модели динистора (рис. 21.2) и учитывая, что наличие внутренней ПОС обеспечивает зависимость коэффициентов передачи a1 и a2 от тока I

Приборы с отрицательным сопротивлением

(с ростом тока растут a1 и a2), можно видеть, что, при выполнении условия: (a1+ a2) = I, ток через переход возрастает до тока включения I _ВКЛ . дальнейшее возрастание коэффициентов передачи до значений, при которых (a1 + a2) > 1, внутренняя ПОС достигает такого уровня, при котором в переходе П2 начинается лавинное размножение носителей зарядов (ударная ионизация), и динистор переходит в открытое состояние.

Физические процессы, происходящие при переключении динистора из закрытого состояния в открытое, можно описать следующим образом. Под действием приложенного напряжения U_а возрастает ток I и происходит насыщение баз основными носителями (Б1―электронами, Б2―дырками). Это в свою очередь приводит к росту a1 и a2 и сужению области р―n - перехода П2,что и вызывает его лавинный пробой.

Чтобы математически описать этот процесс с учётом лавинного умножения носителей в переходе П2, нужно ввести в уравнение (П.4.4) коэффициент М, характеризующий умножение дырок и электронов под воздействием внешнего напряжения U_а, вызывающего ударную ионизацию в переходе. С введением коэффициента М уравнение (П.4.4) примет вид:

I × (1— a1 × М — a2 ×.М) = I_КО × М (П. 4.5)

где М = (П. 4.6)

U_П2 = [U_а] (см. П.4.2);

U_Л ―напряжение лавинного пробоя центрального перехода П2; n - показатель степени (n = 1….2); (U_Л и n зависят от типа р- n - перехода и конструкции прибора; для U_Л можно воспользоваться значением допустимого прямого анодного напряжение напряжения [6]).

Как видно из (П. 4.6), коэффициент М является функцией приложенного напряжения U_а и чем ближе его значение к U_Л, тем больше М. Если принять (a1 + a2) = a то выражение (П.4.5) можно записать в следующей форме:

I = (П. 4.7)

где М = f(U_а).

Полученное уравнение (П. 4.7) будет определять ВАХ динистора в неявном виде.

а) б)

Рисунок 22. ВАХ:

а - динистора; б - тиристора.

Приборы с отрицательным сопротивлением

ВАХ динистора, представленная на рисунке 22, имеет две точки, в которых дифференциальное сопротивление r = d U_а/ d I = 0: это точки прямого переключения (1) { из закрытого состояния в открытое } и обратного переключения (2) { из открытого состояния в закрытое } . Между этими точками, как сказано выше, имеется участок с отрицательным сопротивлением (1-2, рис.22). Таким образом, если ток через структуру I достиг значения I _ВКЛ (т.1), динистор откроется. Но если ток I окажется меньше тока удержания I _УД (т. 2), прибор закроется.

ВАХ динистора имеет четыре характерных участка:

―участок 0-1 - ток через прибор мал, поэтому a = 0 , дифференциальное сопротивление велико ( более 5…10 МОм) . Динистор закрыт, и может находится в этом состоянии бесконечно долго (пока U_а < U_ВКЛ) . При увеличении U_а растет a , растёт ток I и в т.1 становится равным I _ВКЛ; в переходе П2 возникает ударная ионизация;

―участок 1-2 - ток через прибор растет при уменьшении напряжения на приборе. Дифференциальное отрицательное сопротивление имеет величину больше 5...10 кОм. Напряжение на переходе П2 падает и он смещается в прямом направлении. Это режим переключения, режим лавинного пробоя р-n.-перехода П2. Данный участок ВАХ может быть зафиксирован только осциллографом. Конечная точка участка - точка т.2, соответствующая току удержания I _УД;

―участок 2-3 - через прибор протекает большой ток, падение напряжения мало ( напряжение на открытом приборе U_а = (0,6….2) В ). Дифференциальное сопротивление на данном участке мало (около (0,5...10) Ом). Все переходы смещены в прямом направлении, напряжение падает только на объемном сопротивлении баз. Динистор открыт и работает так же, как диод, на который подано прямое напряжение. Этот участок, так же как участок 0-1, соответствует устойчивому состоянию прибора, выйти из которого он может, если ток I станет меньше тока удержания I _УД (т.е. рабочая точка переместится в т.2);

―участок 0-4 - к прибору приложено обратное напряжение, переходы П1, П3 закрыты, П2 - открыт. Ток через прибор мал, поэтому дифференциальное сопротивление велико ( более 5…10 МОм). Динистор закрыт и ведёт себя как диод, к которому приложено обратное напряжение.

В тиристоре протекают те же процессы, что и в динисторе. Но отличие заключается в том , что через один из эмиттерных переходов задаётся ток базы, называемый током управления I _У . Тем самым задаётся коэффициент a 2, т.е. a 2> О даже при U_а = 0. Очевидно, чем больше ток управления I _У , тем раньше наступит переключение (при меньшем напряжении U_а, см. рис.22). Таким образом, изменяя ток I _У, можно переключать прибор почти независимо от величины приложенного к тиристору напряжения U_а. При некотором токе управления имеющаяся петля с участком отрицательного сопротивления исчезает, спрямляется. Ток управления, при котором это происходит, называется током спрямления I _У__СПР.

Приборы с отрицательным сопротивлением