Транзисторы и тиристоры

Размещено на http://www.allbest.ru/

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

тиристор транзистор эмиттер заряд

Управление током и усиление сигналов в схемах электроники осуществляют с помощью транзисторов. Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два р-п-перехода. Возможны две трехслойные структуры с различным чередованием участков с электронной и дырочной электропроводностью. В соответствии с чередованием участков с различной электропроводность все биполярные транзисторы подразделяют на два типа: р-п-р (рис. 2.1,а) и п-р-п (рис. 2.1,б).

Рис. 1. Структура биполярных транзисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б)

У биполярных транзисторов крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором.

На переход эмиттер-база (рис. 2.2) напряжение Uэб подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях в нем возникают значительные токи. На переход коллектор-база напряжение Uкб подается в обратном направлении.

Рис. 2. Движение носителей заряда в транзисторе типа п-р-п

Рассмотрим работу транзистора типа п-р-п. Транзистор типа р-п-р работает аналогично, но на него подаются напряжения противоположной полярности. Между коллектором и базой транзистора типа п-р-п приложено положительное напряжение. Когда эмиттерный ток Iэ равен нулю, небольшой ток в транзисторе через коллекторный переход Iк0 обусловлен движением неосновных носителей заряда (дырок из коллектора в базу, электронов из базы в коллектор).

При повышении температуры число неосновных носителей заряда увеличивается и ток Iк0 резко возрастает.

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Т.к. внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из р-полупроводника, поэтому электроны являются для нее неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из р-полупроводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкие и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк.

При полный ток коллектора транзистора, определяемый движением всех носителей заряда через коллекторный переход

,

б - коэффициент передачи тока (0,9 - 0,995).

Из закона Кирхгофа для токов и последнее выражение выглядит следующим образом:

.

Данное выражение показывает, что токи в транзисторе связаны линейными соотношениями.

Последнее выражение преобразуем так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Таким образом, получим

.

Подставим данное выражение в определение коллекторного тока:

.

в - статический коэффициент передачи тока транзистора, который приводится в справочниках.

В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную - выходной.

Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют крайне редко. В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Эта так называемая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (рис. 2.3). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы

.

Рис. 3. Включение транзистора типа п-р-п по схеме с общим эмиттером

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

ВАХ биполярных транзисторов. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб=f1(Uбэ) называют входной или базовой характеристикой транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк=f2(Uкэ)Iб=const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная характеристики биполярного транзистора средней мощности типа п-р-п приведены на рис. 2.4. Как видно из рис. 2.4,а входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики (рис. 2.4,б) приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Однако в ряде случаев использование биполярных транзисторов затруднено, поскольку эти приборы управляются током и потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствуют их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком.

Полевые транзисторы подразделяются на два типа: а) с р-п-переходом; б) - МДП-типа.

Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала, - стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором.

Полевой транзистор с управляющим переходом - полевой транзистор, у которого затвор электрически отделен от канала закрытым р-п-переходом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с п-каналом и управляющим р-п-переходом показана на рис. 2.5.

Рис. 5. Структура (а) и схема включения полевого транзистора с затвором в виде р-п-перехода (б): 1, 2 - области канала и затвора; 3, 4, 5 - выводы истока, стока и затвора

В транзисторе с п-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п-переход, образованный п-областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: , . В транзисторе с р-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: , .

Рассмотрим работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с р-каналом работают аналогично.

На рис. 2.6 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-п-переход между затвором и каналом (рис. 2.6,а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Рис. 6. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 2.6,б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, т.к. разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжения и (рис. 2.6,в), то толщина обедненного слоя, а, следовательно, и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:

,

то обедненные области смыкаются, и сопротивление канала резко возрастает.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 2.7. Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения при постоянном напряжении на затворе определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 2.7,а). На начальном участке характеристик ток стока Iс возрастает с увеличением . При повышении напряжения сток-исток до происходит перекрытие канала, и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения и тока стока Iс. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора:

а - выходные, б - передаточная

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к пробою р-п-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика Iс=f() (рис. 2.7,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения . Входная характеристика полевого транзистора - зависимость тока утечки затвора Iз от напряжения затвор-исток обычно не используется, т.к. при р-п-переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (Iз=10-8 - 10-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

Полевой транзистор с изолированным затвором - полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой диэлектрика, обычно оксид кремния, а р-п-переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП - металл - диэлектрик - полупроводник) или МОП-транисторами (МОП - металл - оксид - полупроводник).

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод.

Рис. 8. Структура триодного тиристора

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда в р-п-переходе П2 движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, т.к. электроны из слоя п2 и дырки из слоя р1 устремляются в слои р2 и п1 и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе R возрастает, напряжение на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 1 В. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ. Такой пробой не вызывает разрушения перехода П2. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (нисходящая ветвь на рис. 2.9). Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия питающего напряжения обычно составляет 10-30 мкс.

Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей в любой из слоев, прилегающих к переходу П2. Эти добавочные носители заряда уменьшают напряжение включения Uвкл.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления Iу.вкл - ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние.

Из рис. 2.9 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, т.к. в этом случае закрыты переходы П1 и П3. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше Uобр тах.

Размещено на Allbest.ru