Составные биполярные транзисторы

Если усиление по току недостаточно, то можно использовать схему составного транзистора (схема Дарлингтона).Эта схема содержит два транзистора, соединенные коллекторы представляют собой общий коллектор составного биполярного транзистора, а к базе второго транзистора подключен эмиттер первого. При этом база первого и эмиттер второго транзистора являются соответственно общей базой и общим эмиттером составного транзистора.

Поскольку обычно выполняются неравенства . Усиление по току составного транзистора наиболее соответствует этому выражению, если номинальный входной ток транзистора VT2 равен номинальному выходному току VT1. Поэтому транзистор VT2 следует выбирать более мощным, а VT1 с большим коэффициентом усиления по току.

Рисунок 33

Схемы, использующие составные транзисторы, помимо улучшенных усилительных свойств по току, как и по напряжению, обладают большим входным и малым выходным сопротивлением по сравнению со схемами на одиночных транзисторах.

Однако такие схемы менее термостойки, так как обратный коллекторный ток, превышает тепловой ток его отдельных компонентов.

На практике используются также составные транзисторы, содержащие более двух отдельных транзисторов.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные) в отличие от биполярных – обладают носителями заряда одной полярности – либо только электронами в канале n – типа (рисунок 34,а), либо только дырками в канале p – типа (рисунок 34,б).

Классификация и условные графические обозначения полевых транзисторов изображена на рисунке 35 в виде схемы:

Рисунок 34                                         Рисунок 35

Основные носители заряда, протекающие через проводящий канал управляются поперечным электрическим полем (а не током, как в биполярных транзисторах, о чем свидетельствует сам термин “полевые транзисторы”).

Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим p – n переходом и с изолированным затвором.

Конструкция: на полупроводниковую пластину n – типа сделаны выводы металлических контактов. Слой между контактами называется проводящим каналом (n или p – типа). Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называют стоком (С).

На грань пластины в ее центральной части (как правило с двух сторон) наплавляют акцепторное вещество, создающее область p – типа: в результате образуется p – n переход. От p – области сделан вывод третьего электрода для подачи на p – n переход обратного напряжения. В этом случае проводящий канал образуется в пластине между двух p – n переходов. При подаче обратного напряжения на данный электрод, слои обедненные носителями заряда имеют проводимость близкую к нулю. Электрод, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором (З) (рисунок 36).

Рисунок 36

На затвор относительно истока подается напряжение  обратное относительно p – n перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения.

Цепь между затвором и истоком является управляющей. Принцип действия основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области p – n – перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор–исток.

Если включить в цепь источник усиливаемого сигнала  последовательно с источником постоянного напряжения  и последовательно с  –  (рисунок 37), то слабый сигнал вызывает изменение поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к расширению и сужению канала. Это вызывает пульсацию тока  и напряжения на нагрузке .

Отсюда следует, что в отличие от биполярного транзистора, полевой управляется не током, а напряжением .

Поскольку это напряжение обратное, тов цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током  мощность не затрачивается. В этом преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным.

4.9 Статические ВАХ полевых транзисторов с p – n переходом

Основные характеристики полевых транзисторов – выходные (стоковые) и передаточные (стокозатворные).

Стоковая характеристика – отражает зависимость тока стока от напряжения сток–исток при постоянном напряжении затвор исток:  (рисунок 38,а).

а)                                                              б) Рисунок 38

В начале участка кривая выходит из начала координат и соответствует малым значениям  изменение которого почти не влияет на проводимость канала, канал полностью открыт. Поэтому ток  на этом участке растет пропорционально напряжению . По мере дальнейшего увеличения напряжения  начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и соответственно рост обратного напряжения на p – n – переходе, которое при , у стокового конца равно величине . По мере увеличения  происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока .

Максимальное сужение канала называется перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения – ток током насыщения . Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении напряжения , происходит лавинный пробой p–n –перехода, вблизи стока. Пробой транзистора недопустим поэтому в рабочем режиме  ограничивается максимально допустимым значением.

Стоко–затворная характеристика – это зависимость тока стока  от напряжения  при неизменной величине напряжения сток–исток

.

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока. При  и  точка лежит на оси 8 мА (рисунок 38,б). С увеличением напряжения , проводимость канала уменьшается, ток стока уменьшается до тех пор, пока канал не окажется перекрытым: ток через канал прекращается, транзистор закрывается. Напряжение, при котором ток через сток–исток прекращается, называют напряжением отсечки.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость. .

Изменение температуры мало влияет на работу полевого транзистора, т.к. при увеличении температуры уменьшается ширина p – n перехода, что должно способствовать увеличению , однако с увеличением температуры уменьшается подвижность основных носителей, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает . Повышение температуры снижает напряжение  из–за увеличения обратного тока p – n –перехода.

4.10 Параметры полевых транзисторов с p – n переходом

Основные параметры следующие: крутизна стоко–затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока  при ,  допустимое,  допустимое,  – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Рисунок 37

.

Крутизна определяет наклон стоко–затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение определяется малыми приращениями  и соответственно . Примерная величина этого параметра .

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление  показывает влияние напряжения сток–исток  на выходной ток транзистора . Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как

.

Чем больше , тем более полого идет характеристика в области насыщения. Входное  из–за большого сопротивления p – n – перехода.

Статическим коэффициентом усиления напряжения m – характеризуются усилительные свойства полевых транзисторов, который может быть найден как произведение .

Коэффициент усиления показывает во сколько раз изменение напряжения затвор–исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток–исток

.

Кроме этих параметров для высокочастотных полевых транзисторов учитывается такой параметр как межэлектродные емкости.

Максимально допустимое напряжение сток–исток  выбирают с запасом примерно 1.5 раза меньше напряжения пробоя сток–затвор, при . 

МДП – транзисторы

МДП – транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. Затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. МДП изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется пленка окисла кремния . Получается МОП – окисел – полупроводник.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p –типа и n – типа.

Рисунок 39

МДП транзистор со встроенным каналом n – типа, исходным материалом служи кремниевая пластина p – типа, называемая подложкой. В ней создаются области n – типа с большой концентрацией донорной примеси, образующие сток–исток, а между ними тонкий приповерхностный слой n – типа с малой концентрацией примеси, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности кристалла создается оксидная пленка , которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними выводами осуществляются от области стока и истока, от металлического затвора, а также в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки соединяют с истоком.

Принцип действия МДП – транзистора со встроенным каналом рисунок 39, б основан на изменении проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.

При  через транзистор протекает ток под действием напряжения сток–исток  приложенного + к стоку при канале n – типа.

По мере увеличения напряжения  канал к стоку сужается, проводимость уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения, при дальнейшем увеличении напряжения  происходит пробой.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их из канала в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, а значит уменьшается и ток стока . Чем больше отрицательное напряжение затвора по абсолютной величине, тем меньше проводимость канала и меньше .

а)                                                         б) Рисунок 40

При подаче положительного напряжения  на затвор, электрическое поле затвора притягивает электроны из р – слоя в канал и от n – слоев стока и истока: канал обогащается основными носителями заряда и его проводимость увеличивается. С повышением положительного напряжения на затворе возрастает ток стока .

Cтоко–затворная характеристика МДП транзистора (рисунок 40,б) отражает зависимость тока стока от напряжения затвор–исток. При некотором значении отрицательного напряжения затвор–исток,  электроны будут полностью вытеснены из канала, т.е. канал исчезнет, а ток через транзистор упадает до нуля: транзистор закрыт.

МДП транзистор с индуцированным каналом. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке р – типа создаются области n –типа истока и стока, а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе транзистор остается закрытым.

Это объясняется тем, что при любой полярности напряжения  оба p – n перехода (исток–подложка и сток–подложка) находятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока, электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхостного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия) т.е. индуцируется проводящий канал n – типа.

Напряжение на затворе, при котом ток становится равным нулю при данном значении напряжения , называется пороговым напряжением . При отрицательном напряжении на затворе канал n–типа не индуцируется: транзистор остается закрытым.

а)                                                              б) Рисунок 41

Преимущество МДП – транзисторов перед полевыми с управляемым p–n–переходом является гораздо большее входное сопротивление, , существенно меньшие межэлектродные емкости.

Рисунок 42 Рисунок 43

Условно-графическое обозначения МДП транзистора с встроенным каналом n-типа изображено на рисунке 42, а; с каналом р – типа на рисунке 42, б; с каналом n–типа с выводом от подложки на рисунке 42, в; с каналом р – типа с выводом от подложки на рисунке 42, г. Аналогично классифицируется условно-графические обозначения МДП транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 43,а,б,в,г).

Широкое распространение получили МДП–транзисторы в интегральных микросхемах благодаря удобной технологии изготовления, низкой стоимости, высокому входному сопротивлению, малому собственному шуму, а также большому коэффициенту усиления напряжения и мощности.

ТИРИСТОРЫ

Основные определения

Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три или более р – n переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

На основе этой структуры в зависимости от числа выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные называемые динисторами и триодные называемые тринисторами.

Классификация и условные графические обозначения тиристоров изображена в виде схемы на рисунке 44.

Рисунок 44

Диодные тиристоры два вывода от наружного слоя  – анод;  – катод. Триодные тиристоры кроме двух основных имеют третий вывод управляющего электрода УЭ, от одного из внутренних слоев или .

Исходным материалом служит кремний n – типа, в кристалле которого создается структура p – n – p – n .

Слои  и  имеют большую концентрацию примесей, а  и особенно  меньшую. Пластины кремния с готовой четырехслойной структурой припаивают к кристалодержателю. Контакты площадки создают металлизированием, а соединение их с внешними выводами осуществляется через вольфрамовые прокладки.

Рассмотрим принцип действия без влияния цепи управления т.е. как динистор. При таком рассмотрении его крайние слои называют эмиттерами, а средние базами. Таким образом переход  является эмиттерным переходом VТ1, а переход  является эмиттерным переходом транзистора VТ2, переход  является общим переходом транзисторов с коллекторным переходом.

а)                            б)                        в) Рисунок 45            а)                                           б) Рисунок 46

На эмиттерных переходах действует прямое напряжение, а на коллекторном обратное.

Ток в цепи тиристора  при отсутствии тока в цепи управления – это ток, протекающий последовательно через все четыре слоя его структуры. Поэтому можно написать следующие равенства:

.

Рассмотрим, какие составляющие входят в ток  через коллекторный переход. Для транзистора VТ1 ток через коллекторный переход ; где  – коэффициент передачи тока эмиттера. Для транзистора VТ2 аналогично – . Кроме того, через коллекторный переход  протекает суммарный обратный ток обоих транзисторов , обусловленный движением неосновных носителей заряда – дырок из слоя n1 в слой р2 и электронов из  в .

Полный ток через коллекторный переход равен сумме этих трех составляющих:

.

Учитывая, что через переходы проходит один и тот же ток , можно записать:

откуда можно получить выражение для анодного тока цепи тиристора:

.

Величина  и  зависит от толщины базовых слоев  и  и от тока  в цепи.

При малых значениях тока  близки к нулю, поэтому малы составляющие анодного тока, а ток через тиристор обусловлен только обратным током перехода . В этом режиме тиристор остается закрытым: это соответствует участку–1.

Сувеличением напряжения  растет обратное напряжение на переходе  и немного возрастает ток , и ток через тиристор . Рост тока  вызывает увели чение коэффициентов  и , что в свою очередь приводит к возрастанию составляющих  и a2Iэ2 и более бы строму росту тока .

На рисунке 47 изображена ВАХ при ; А – точка переключения, 1– участок закрытого состояния, 2 – участок с отрицательным сопротивлением,3–участок открытого состояния.

Рисунок 47

Условие, необходимое для переключения тиристора, как следует из формулы для тока  выражается равенством . В этот момент, когда , знаменатель обращается в нуль, а ток должен бесконечно возрасти, но он ограничивается сопротивлением нагрузки , в анодной цепи.

Обычно . До момента переключения , можно считать, что для каждого транзистора VT1 и VT2 . Это означает, что большая часть дырок из  оседает в базе , а меньшая часть проходит коллекторный переход  в коллектор . Аналогично в транзисторе VT2  большая часть электронов из эмиттера Э2 оседает в базе Б2, а меньшая проходит в коллектор .

Таким образом возрастает концентрация неосновных носителей в областях  и , а напряжение остается обратным. Рост тока через тиристор, остающимся закрытым, происходит за счет увеличения .

Рисунок 48

С ростом тока и увеличением суммы  все больше дырок из области  через базу  и переход  переходит в область : одновременно увеличивается поток электронов из области  через область  и переход  в область . Эти носители заряда скапливаясь по обе стороны от р – n перехода , создают электрическое поле направленное встречно полю, созданному обратным напряжением, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехода. В тот момент когда , потенциальный барьер полностью скомпенсирован, обратное напряжение в  равно нулю, тиристор открывается. Одновременно с этим повышением концентрации избыточных основных носителей заряда в базах усиливается инжекция носителей заряда в базы из эмиттеров, что вызывает еще большее возрастание коэффициентов и  и их суммы , а следовательно, еще более быстрый рост тока. Процесс носит лавинообразный характер.

В результате этих процессов переключение тиристора происходит мгновенно и неуправляемо, а напряжение на тиристоре падает, т.к. ни на одном из переходов нет обратного напряжения. Это участок 2 (рисунок 47).

В открытом состоянии все три перехода находятся под прямым напряжением, обратный ток коллекторного перехода отсутствует. Ток в основной цепи создается движением инжектируемых из эмиттеров носителей заряда. С увеличением приложенного напряжения возрастает напряжение на p – n переходах и растет ток.

С уменьшением напряжения на тиристоре в открытом состоянии, ток тиристора уменьшается, а при определенном значении тока тиристор переходит в закрытое состояние. Наименьший ток в основной цепи, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии, называется током удержания тиристора .

Такой способ включения используют только в схемах с динисторами.

Тиристор

Тиристор - полупроводниковый прибор у которого помимо основной цепи между анодом и катодом имеет цепь управления. Для этой цели нужен вывод управляющего электрода УЭ. Назначении цепи управления состоит в управлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение переключения . Если вывод управляющего электрода сделан от базового слоя , то источник управляющего тока  включается между УЭ и катодом. Такая схема управления по катоду приведена на рисунок35,а. Возможна и другая схема, в которой вывод управляющего электрода сделан из базового слоя , а источник  включается между УЭ и анодом. В этом случае осуществляется управление по аноду.

На рисунок 49,а изображена схема включения тиристора с цепью управления; на рисуноке 49,б,в,г условные графические обозначения динистора, тринистора с управлением по катоду и по аноду соответственно; на рисунке 49, д – схема включения тиристора.

Рисунок 49

Рассмотрим влияние тока управления на работу тиристора при прямом напряжение между анодом и катодом в схеме рисунок 49, а. В основную цепь включены источник питания  и нагрузка . В цепь управления включен источник управляющего сигнала , дающий ток управления . Полярность источника совпадает по знакам с прямым напряжением на переходе .

При включении цепи управления ток , проходя от управляющего электрода через переход  к катоду, добавляется к току эмиттера Э2 и вызывает увеличение коэффициента передачи тока . В результате этого возрастает ток коллекторного перехода , а значит, и ток в цепи тиристора, и переключение тиристора происходит при меньшем напряжении на нем. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение, при котором открывается тиристор. Это отражает семейство вольт–амперных характеристик, снятых в прямом направлении при разных значениях тока управления (рисунок 50). При определенном значении тока управления, называемым током управления спрямления , прямая ветвь характеристики спрямляется, участок закрытого состояния 1 отсутствует; тиристор при прямом напряжении открыт, как диод.

Ток управления влияет только на крутизну участка 1 закрытого состояния тиристора и напряжение перехода в открытое состояние; на рабочий участок характеристики в открытом состоянии ток управления не оказывает влияния. После включения тиристора цепь управления может быть разомкнута, а тиристор будет продолжать работать в открытом состоянии. Благодаря этому свойству в практических схемах используют автоматическую подачу кратковременных импульсов тока управления для включения тиристора в нужный момент времени.

Рисунок 50

Выключение тиристора – переход в закрытое состояние – может быть осуществлено уменьшением тока до величины, меньшей тока удержания, или изменением полярности основного напряжения  на обратную.

Рисунок 51

Обратная ветвь характеристики, как было сказано, соответствует обратной ветви вольт–амперной характеристики диода (участок 4 на рисунок 50). При обратном напряжении, равном напряжению пробоя  происходит лавинный пробой тиристора (участок 5).

Симметричный тиристор

Симметричным тиристором, или симистором, называют тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как в прямом, так и в обратном направлении. Он имеет симметричную вольт–амперную характеристику, т.е. одинаковые по виду прямую и обратные ветви. В связи с этим симисторы применяют как переключающие приборы в цепях переменного тока.

Симметричные тиристоры разделяют на диодные и триодные. Диодный симметричный тиристор (диак) включается при достижении как в прямом, так и в обратном направлениях определенного значения между основными выводами, равного напряжению переключения. Триодный симметричный тиристор (триак) включается как в прямом, так и в обратном направлениях при подаче сигнала на его управляющий электрод.

Структура симистора характеризуется большим, чем четыре, числом чередующихся областей р – и n – типа и, соответственно, имеет не три, а больше число переходов: для диака пять слоев и четыре перехода, для триака– шесть и более слоев, пять и более переходов

Рассмотрим структуру и принцип действия симистора, на рисуноке 52, а изображен эквивалент в виде двух тиристоров;  52,б,в – условные графические обозначения диака и триака; 52,г – схема включения триака.

Эту структуру можно рассматривать как два обычных тиристора, включенных встречно–параллельно. Первый из них включает часть структуры правой стороны –  c переходами ,  и  (рисунок 52,а); для него прямым будет положительное напряжение на аноде относительно катода. В этом случае переходы  и  находятся под прямым напряжением, а  – под обратным. Как было подробно рассмотрено для обычного тиристора, с увеличением тока в –слое накапливаются электроны, а в  – слое – дырки, что приводит к перемене полярности напряжения на переходе  с обратной на прямую, и тиристор переключается из закрытого состояния в открытое.

Если на электрод УЭ подавать импульс управляющего напряжения со знаком “плюс” относительно анода А, то на дополнительном переходе  создается прямое напряжение, электроны инжектируются из области  в область  , диффундируют через нее к переходу  и перебрасываются полем его контактной разности потенциалов в  – слой.   Насыщение  – слоя  приводит  в  свою очередь к увеличению

Рисунок 52

прямого напряжения на переходе , под действием которого усиливается инжекция дырок  – слоя в n₂–слой; они диффундируют через  – слой и перебрасываются под действием обратного напряжения на переходе  в  – слой. Накопление дырок в  – слое и электронов в  – слое под действием импульсов управляющего сигнала происходит мгновенно, и тиристор переключается в открытое состояние при меньшем напряжение между основными электродами, чем напряжение переключения при отсутствии тока управления.

Рисунок 53

При перемени полярности напряжения в основной цепи – процессы происходят так же, как в обычном тиристоре. Импульс управляющего сигнала создает дополнительное прямое напряжение на переходе , и через него проходит ток управления , вызывая переключение симистора из закрытого состояния в открытое.

Рассмотренные процессы отражены на семействе вольт–амперных характеристик симистора (рисунок 53)

В прямом направлении они такие же, как для обычного тиристора, а в обратном – аналогичны им, но располагаются симметрично в третьем квадранте системы координат.

Параметры тиристоров

Наиболее важными параметрами являются: ток и напряжение переключения –  и ; ток, напряжение и рассеиваемая мощность в открытом состоянии тиристора – , , ; ток удержания – ; обратный ток – ; максимально допустимые значения тока и мощности в открытом состоянии и обратного напряжения , , .

К параметрам, характеризующим цепь управления, относится отпирающий постоянный (или импульсный) ток управления . Отпирающим током управления называют наименьший ток управления, необходимый для включения тиристора в заданном режиме.

Динамический режим работы тиристора характеризуется динамическим сопротивлением в открытом состоянии , временем включения  и временем выключения тиристора .

Динамическое сопротивление тиристора определяется по наклону прямой ветви ВАХ на участке соответствующему открытому состоянию; оно равно отношению приращения напряжения к соответствующему ему приращению тока:

Время включения тиристора – это интервал времени, в течении которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Время включения тиристора 5 – 30мкс.

Время выключения тиристора  – это наименьший интервал времени, в течении которого восстанавливается запирающее свойства, т.е. рассасываются накопленные в базах носители заряда после перемены полярности напряжения в основной цепи и рекомбинации оставшихся носителей. Это время составляет от 5 – 10 до 200 – 250 мкс.

По мощности тиристоры подразделяют на тиристоры малой мощности (на токи до 0.3 А), средней мощности (от 0.3 до10 А) и большой мощности – силовые.