Устройство биполярного транзистора.

Основным элементом транзистора является кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной проводимостью (рис 8.8). Если средняя область имеет электронную проводимость, а две крайние – дырочную, то такой транзистор принадлежит к типу p-n-p в отличие от транзистора типа n-p-n, имеющего среднюю область с дырочной проводимостью, а две крайние – с электронной. Средняя область называется базой. Одна крайняя область, инжектирующая (эмитирующая) носители заряда в базу, называется эмиттером, а другая крайняя область, собирающая инжектированные носители заряда из базы, – коллектором.

К каждой из этих областей припаивают внутренние и внешние токоотводы (рис. 8.9), с помощью которых транзистор включают в электрическую цепь. Кристалл крепится на специальном кристаллодержателе и помещают в герметичный металлический, пластмассовый или стеклянный корпус. В структуре транзистора имеются два р–n - перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой). Толщину базы при изготовлении транзистора делают очень маленькой.

Кроме того, концентрацию основных носителей базы делают значительно меньше, чем концентрация основных носителей в эмиттере и коллекторе.

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора типа p-n-p (рис. 8.10). При наличии напряжений U_ЭБ и U_БК указанной полярности, создаваемых соответственно источниками Е_Э и Е_К, эмиттерный переход П₁ будет включен в прямом направлении, а коллекторный переход П₂ для основных носителей базы (электронов) и коллектора (дырок) – в обратном (непроводящем) направлении. Через открытый переход П₁ дырки из эмиттера поступают (инжектируются) в базу, создавая ток эмиттера I_Э. Как было отмечено выше, концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере. Поэтому только небольшая часть дырок эмиттера вместе с таким же количеством электронов базы будут создавать небольшой ток базы I_Б, примерно на два порядка меньший тока эмиттера. Основная же часть дырок, инжектированных в базу из эмиттера, быстро проходит узкую базу и оказывается у перехода П₂, который для этих дырок включен в прямом направлении. Поэтому эти дырки проникают в коллектор, создавая ток коллектора I_К. Соотношение между токами в транзисторе следующее: I_Э = I_К + I_Б. Практически, из-за малого значения тока базы считают, что ток I_К приблизительно равен току I_Э.

Изменяя напряжение U_ЭБ или ток базы I_Б, можно изменять значительно больший по величине ток коллектора I_К. В этом проявляются усилительные свойства транзистора. С помощью транзистора можно усиливать ток, напряжение и мощность.

Схемы включения и режимы работы биполярных транзисторов. При подключении транзистора в конкретную схему следует выделить его входную и выходную цепи. При этом два вывода транзистора являются входным и выходным зажимом соответственно входной и выходной цепей, а третий вывод транзистора – общим входным и выходным зажимом. Общим может быть любой из выводов транзистора. В связи с этим возможны три схемы включения транзистора:

· с общей базой (ОБ) (рис.8.11, а);

· с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 8.11, б);

· с общим коллектором (ОК) (рис. 8.11, в).

В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора.

В схеме с ОК входной является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

Для усиления тока транзистор включают по схеме с ОЭ или ОК. Для усиления напряжения транзистор включают по схеме с ОБ или ОЭ. Для усиления мощности наибольший эффект достигается при включении транзистора по схеме с ОЭ.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного к эмиттерному и коллекторному переходам, различают следующие режимы работы транзистора:

· активный режим, когда на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим применяется для усиления слабых сигналов;

· режим насыщения, когда к обоим переходам приложено прямое напряжение. В этом режиме транзистор полностью открыт и ток через транзистор определяется только параметрами внешних элементов схемы.

· режим отсечки, когда оба перехода находятся под обратным напряжением. В этом режиме транзистор полностью закрыт и ток через него практически равен нулю.

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение транзистора.

2. Дайте определение эмиттера.

3. Дайте определение коллектора

4. Дайте определение базы.

5. В каких состояниях может находиться транзистор?

6. Определение биполярного транзистора.

7. Устройство биполярного транзистора.

8. Принцип действия биполярного транзистора.

Тиристор

 

Тиристор - полупроводниковый прибор, получаемый при объединении четырех полупроводниковых зон с разным типом проводимости.

Крайние области называются анодом (р -область) и катодом (п -область), две промежуточные области называются п -база и р -база (рис.8.12). Тиристор имеет три р-п - перехода П₁, П₂, П₃.

Анодное напряжение включено так, что переходы П₁ и П₃ работают в прямом направлении, П₂ – в обратном.

При включении анодного напряжения сопротивление обратного р-п -перехода П₂ велико и через тиристор ток не проходит.

1. При увеличении анодного

Рисунок 8.12

напряжения оно достигнет некоторого определенного значения, которое называется напряжением переключения и в переходе П₂ напряженность электрического поля станет достаточной для ионизации и образования новых носителей заряда (электрон-дырка). Сопротивление перехода резко сокращается и тиристор открывается.

 

2. Если на р - базу подать управляющий импульс, то, как в транзисторе, электроны из катода пройдут через р -базу и попадут в п -базу, в которой будет наблюдаться избыток электронов. В результате возникает встречное движение дырок из р -области анода, которые проходят в р -базу и вызывают дополнительное движение электронов из п -области катода. Развивается лавинообразный процесс, и ток в цепи резко возрастает. При прекращении управляющего импульса, ток в цепи не изменяется и прекращается после отключения анодного напряжения.

Используется тиристор как переключающее устройство.

Тиристоры очень мощные устройства, они могут переключать цепи, токи в которых достигают сотен и даже тысяч ампер, напряжения могут быть до нескольких тысяч вольт.

В зависимости от способа управления прибором различают тиристоры диодные (динисторы) и триодные (тринисторы) (рис. 8.13).

Динисторы имеют два вывода (электрода) – анод и катод, тринисторы, кроме анода и катода, имеют еще и третий вывод – управляющий электрод.

Принцип действия тиристора. При наличии между анодом и катодом обратного напряжения тиристор находится в закрытом состоянии. При наличии на тиристоре прямого напряжения тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытом и открытом. При этом условия перехода из закрытого состояния в открытое для динисторов и тринисторов отличаются.

Когда к динистору приложено прямое напряжение (рис. 8.14), переходы П₁ и П₃ открыты, но динистор заперт переходом П₂, который при этом включен в обратном направлении. Ток через динистор практически отсутствует. При увеличении прямого напряжения динистор будет находиться в закрытом состоянии, пока прямое напряжение не достигнет напряжения, называемого напряжением включения U_ВКЛ (рис.8.15). При этом практически происходит лавинный пробой перехода П₂, его сопротивление резко уменьшается. Напряжение на динисторе скачкообразно снижается, а ток возрастает – динистор открывается. Динистор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий через него прямой ток не станет равным току выключения I_ВЫКЛ. Практически это происходит, когда на динистор подается обратное напряжение. При этом динистор закрывается. Для открытия динистора необходимо снова подать на него прямое напряжение, равное или превышающее напряжение включения.

Особенностью управляемого тиристора является то, что он может открываться при любом значении прямого напряжения. Необходимо подать электрический сигнал на управляющий электрод, тиристор открывается и находится в открытом состоянии, пока к нему приложено прямое напряжение. После открывания тиристора наличие отпирающего сигнала на управляющем электроде необязательно, т.е. управляющий сигнал является кратковременным импульсом. Перевести тиристор из открытого состояния в закрытое с помощью управляющего импульса невозможно. Для закрывания тиристора необходимо, так же, как и в случае с динистором, уменьшить прямой ток до величины тока удержания или подать на него обратное напряжение. В цепях переменного тока это происходит при смене полярности питающего напряжения. В цепях постоянного тока обратное переключение тиристора требует специальных устройств.

Промышленностью выпускаются мощные силовые тиристоры различных типов на токи от 10 до 2000 А и более, маломощные неуправляемые тиристоры К_Н (динисторы) и управляемые тиристоры К_У (тринисторы) на токи до 10 А.

Конструкция силовых тиристоров. По конструктивному исполнению эти тиристоры разделяются на штыревые и таблеточные. Тиристоры штыревой конструкции (рис. 8.16) имеют герметичный корпус и три вывода. Основу конструкции составляет монокристаллическая кремниевая пластина со структурой p-n-p-n, являющаяся выпрямительным элементом. К выпрямительному элементу с обеих сторон припаивают термокомпенсирующие вольфрамовые пластины. Выпрямительный элемент укреплен на медном основании. Это основание является анодом тиристора, выполнено в виде шестигранника и имеет шпильку с резьбой для вворачивания тиристора в охладитель.

Катодом является гибкий медный вывод, соединенный через втулку с силовым выводом. Медный вывод припаян к вольфрамовой пластине. Выводом управляющего электрода служит медный провод небольшого сечения, который припаивают к отдельной термокомпенсирующей пластине, соединенной с соответствующей областью выпрямительного элемента. Вывод управляющего электрода изолирован от корпуса и силового вывода стеклянным изолятором.

Тиристор таблеточной конструкции (рис. 8.17) также состоит из четырехслойного кремниевого выпрямительного элемента, который соединен с вольфрамовыми термокомпенсирующими пластинами. Выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между нижним и верхним медными основаниями, которые являются соответственно анодом и катодом тиристора. Положение выпрямительного элемента внутри корпуса фиксируется втулкой из изоляционного материала. Управляющий электрод соединяют с гибким проводником, который выводят наружу через отверстие в корпусе. Тиристоры таблеточной конструкции в отличие от тиристоров штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями (основаниями) между двумя половинками охладителей, изолированных друг от друга и имеющих большую поверхность охлаждения. Тиристоры таблеточной конструкции более перспективны в использовании, так как обладают повышенной теплостойкостью.

Силовые управляемые тиристоры широко применяются в различных статических преобразователях (управляемые выпрямители, преобразователи частоты).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение тиристора.

2. Дайте определение напряжения переключения.

3. Область применения тиристора.

4. Принцип действия тиристора.

5. Конструкция силовых тиристоров.