Біполярні транзистори. Принцип дії, основні параметри та статичні характеристики транзисторів. Основні схеми включення транзисторів

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під кервіництвом Шоклі із Bell Labs за що отримали Нобелівську премію з фізики.

Біполярний транзистор - напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими.

 

Біполярний транзистор – це напівпровідникові елементи, що мають при зони провідності, які утворюють два р-п переходи. Ці зони називають: емітер (виділяє носії заряду), база (має властивість керувати цими зарядами) і колекторна (збирає носії заряду). Відповідно, кожна з зон має свій вивід. Який маркується: К – колектор; Б-база; Е-емітер. Залежно від типу вільних носіїв заряду в цих зонах, транзистори поділяються за типом на р-п-р чи п-р-п типу.

 

Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими p-n переходами і трьома виводами, призначений для підсилення, генерування і комутації електричних сигналів.

 

Основою транзистора є кристалічна пластинка германію чи кремнію, в якій за допомогою відповідних домішок утворюють три області з різним типом домішкової провідності. Транзистори, в котрих крайні області мають діркову провідність, а середня електронну - називають транзисторами p-n-p типу. В транзисторах n-p-n типу крайні області мають електронну провідність, а середня -діркову (рис.3.1). Крайні області називають емітером (Е) і колектором (К), а середню -базою (Б).

 

 

 

Рис. 1. Структура і типи транзисторів:

n-p-n типу (а) і p-n-p типу (б).

Принцип роботи транзисторів обох типів однаковий, але полярність при-кладених напруг протилежна. У назві біполярні відбито той факт, що струм через транзистор визивається рухом носіїв заряду обох знаків - дірок і електронів, на відміну від польових транзисторів, де струм у каналі виникає в результаті руху носіїв лише одного знаку.

Транзистори вмикають в електричні кола таким чином, щоб до переходу емітер-база зовнішня напруга була прикладена у прямому напрямку, а до переходу колектор-база -в зворотному. Коротко розглянемо роботу біполярних транзисторів на прикладі транзистора n-p-n типу (2).

Рис. 2. Схема вмикання транзистора із загальною базою.

Так як емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, то навіть невелика напруга між емітером і базою визиває перехід основних носіїв, в даному випадку електронів, із емітера в базу. Цей процес називають інжекцією основних носіїв із емітера в базу. В області бази інжектовані носії стають неосновними і в наслідок теплового руху (дифузії) і під дією прискорюючого поля колекторного переходу (дрейфу) досягають колектора, створюючи основний струм колектора . Деяка частина електронів, інжектованих в базу, рекомбінує з дірками бази, спричинюючи появу струму бази . Однак, цей струм невеликий тому, що концентрація дірок в базі низька, а область бази порівняно невелика.

 

Наявність р-п переходів визначає два стани транзистора: відкритий і закритий. У відкритому транзисторі струм проходить від емітера до колектора. Для цього в транзисторі типу р-п-р до кожного р-п- переходу потрібно прикласти напругу певної полярності, а саме: між емітером і базою – в прямому напрямку, тобто до емітера "+", а до бази "-"; між колектором і базою – в зворотньому напрямку – до колектора "-", до бази "+". Для транзисторів п-р-п –типу полярність прикладених напруг протилежна.

За наявності прикладених напруг вільні заряди із зони емітера переходять у зону бази, де частина в них рекомбінує. За рахунок того, що зона бази є невеликою (кілька мікронів), то більшість цих зарядів потрапляють під дію напруги U_БК і переходять в зону колектора. Таким чином, утворюються струми І_К, бази І_Б та колектора І_К, які підпорядковані першому закону Кіргхофа І_Е=І_К+І_Б, а зв'язок між вихідним і вхідним струмами визначається коефіцієнтом пересилання за струмом:

Таке увімкнення транзистора називають із спільною базою. Але враховуючи, що І_Б є незначним, практично приймають І_Е=І_К, то в такій схемі К_і 1, тому транзистор доцільно вмикати за схемою зі спільним емітером. Оскільки струм ІБ є вхідним струмом і незначним за величиною, то така схема забезпечує значне підсилення приросту в порівнянні зі схемою зі спільною базою.

Схеми увімкнення транзистора (а-зі спільною базою, б-з спільним емітером.)

а) б)

Кожна схема має свої особливості і відповідно сферу застосування.

Схема з С_Б має коефіцієнт передачі струму < 1, характеризується низьким вхідним та великим вихідним опорами і застосовується дуже рідко, зокрема, у підсилювачах напруги, що працюють на високоомне навантаження.

Схема з С_Е має великий вхідний і малий вихідний опір, має великий коефіцієнт підсилення, але інвертує вхідний сигнал (зсув фази І).

(Найчастіше використовується вмикання транзисторів із спільним емітером. При цьому вмиканні здійснюється підсилення і за напругою, і за струмом. Відношення приростів колекторного струму до базового називають коефіцієнтом передачі транзистора за струмом у схемі з загальним емітером

.

Схема з С_К не інвертує сигнал, але коефіцієнт підсилення за напругою менше 1.

h – параметри транзистора

 

Основні параметри транзисторів

1. Зворотній струм колектора І_{К Б О}.

2. Зворотній струм емітера І_{Е Б О}.

3. Напруга насичення колектор-емітер U_{КЕ НОС.}

4. Напруга насичення база-емітера И_{БЕ НОС.}

5. Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі зі спільним емітером F_гр.

6. η_к – ККД колектора.

7. Р_вих – вихідна потужність.

8. Р_к – постійно розсіювана потужність колектора.

9. Струми насичення І_{к нос.}, І_{Б нас}.

 

Підсилюючі властивості транзисторів оцінюються за їх характеристиками за допомогою системи h- параметрів. Значення h-параметрів знаходять з побудови характеристичних трикутників на статичних вольт-амперних характеристиках транзистора в околі робочої точки.

 

 

При дії малих сигналів транзистор розглядають як лінійний активний чотириполюсник (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Схема чотириполюсника, еквівалентного транзистору.

За допомогою системи h-параметрів легко отримати вирази для приростів вхідної напруги і вихідного струму, як функцій зміни струму бази і колекторної напруги

;

;

З приведених рівнянь легко встановити фізичний зміст h-параметрів. Зокрема, параметр , що визначається відношенням приросту напруги на базі до відповідного приросту струму бази при постійній напрузі на колекторі є вхідним опором транзистора

при .

Параметр називають коефіцієнтом зворотного зв'язку за напругою і він визначається відношенням приросту колекторної напруги до визваного приросту напруги бази при постійному струмі бази

 

при .

Важливим параметром транзистора є його коефіцієнт передачі за струмом , рівний відношенню приросту колекторного струму до відповідного приросту струму бази при постійній напрузі на колекторі

при .

Параметр має зміст вихідної провідності транзистора у схемі з загальним емітером і визначається відношенням приросту колекторного струму до відповідного приросту напруги на колекторі при постійному струмі бази, а саме

при .

Параметри i знаходять за вхідними статичними характеристиками транзистора, а і - за вихідними.

Система h- параметрів використовується при побудові схем заміщення транзисторів, необхідних при теоретичному аналізі роботи електронних кіл. Схема заміщення біполярного транзистора приведена на рис.4.5.

 

Рис..5. Схема заміщення транзистора.

Зі схеми ри..5. видно, що транзистор можна розглядати, як кероване джерело струму. Величина струму генератора визначається струмом бази, який, в свою чергу, залежить від величини прикладеної напруги і вхідного опору транзистора . Джерело струму зашунтоване резистором, опір якого є оберненим до вихідної провідності транзистора.

1. Польові транзистори. Принцип дії, основні параметри. Основні схеми включення транзисторів.

Патент на пристрій, аналогічний уніполярному ПТ з ізольованим затвором, був отриманий англійським ученим О. Хейлом в 1939 році, задовго до появи біполярного транзистора. У 1952 році Шоклі дав теоретичний опис уніполярного польового транзистора, а в 1955 Дейси і Рос виготовили і провели аналітичний розгляд характеристик транзисторів, которыке згодом отримали назву польових транзисторів з керівником p-n переходом. У 1960 році М.Аталла і Д.Кант запропонували використовувати структуру метал - діелектрик - напівпровідник, в якій провідність поверхневого каналу змінювалася в напівпровіднику під дією напруги, прикладеної до металевого електроду, ізольованого тонким шаром оксиду напівпровідника.

Польовий транзистор - це напівпровідниковий прилад, в якому струм основних носіїв, що протікають через канал, управляється електричним полем. Основа такого транзистора - створений в напівпровіднику і забезпечений двома виводами (витік і стік) канал з електропровідністю n - або p - типу. Опором каналу управляє третій електрод - затвор, сполучений з його середньою частиною p - n переходом.Оскільки струм каналу обумовлений носіями тільки одного знаку, ПТ відносять до класу уніполярних транзисторів.У ідеальному випадку ефект управління струмом досягається без втрати енергії (вхідний струм майже рівний нулю). Електрод, через який в провідний канал втікають носії заряду, називають витоком, а електрод, на який подається електричний сигнал, що управляє, називається затвором. Провідний канал - це область в напівпровіднику, в якій регулюється потік носіїв заряду.

У зв'язку з тим, що управління струмом у вихідному ланцюзі здійснюється вхідною напругою (аналогічно електровакуумним приладам) і вхідні струми польового транзистора черезвичайно малі, параметри і характеристики польових транзисторів істотно відрізняються від характеристик біполярних транзисторів. Польові транзистори володіють рядом переваг в порівнянні з біполярними:

- високий вхідний опір по постійному струму і на високій частоті, звідси і малі втрати на управління;
- висока швидкодія (завдяки відсутності накопичення і розсмоктування неосновних носіїв);
- майже повна електрична розв'язка вхідних і вихідних ланцюгів, мала прохідна ємкість (оскільки підсилювальні властивості польових транзисторів обумовлені перенесенням основних носіїв заряду, верхня межа ефективного посилення могутніх польових транзисторів вища, ніж у біполярних, і застосування ключових підсилювачів на польових транзисторах при тій же напрузі живлення можливо на частотах близько 400 мГц, тоді як на біполярних транзисторах розробка ключових генераторів частотою вище 100 мГц є вельми складним завданням);

- квадратичність вольт - амперної характеристики (аналогічна тріоду);

- висока температурна стабільність;

- малий рівень шумів.

Рис1. Польовий транзистор

Польовий транзистор - це напівпровідниковий прилад, підсилюючі властивості якого обумовлені потоком основних носіїв, протікаючих через провідний канал і керований електричним полем. На відміну від біполярних робота польових транзисторів заснована на використанні основних носіїв заряду в напівпровіднику. По конструктивному виконанні і технології виготовлення польові транзистори можна розділити на дві групи: польові транзистори з керівним р-n - переходом і польові транзистори з ізольованим затвором.

Польовий транзистор з керівним р-n переходом - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу р-n- переходом, зміщеним у зворотному напрямі. Електрод, з якого в канал входять носії заряду, називають витоком (на малюнку Витік); електрод, через який з каналу йдуть носії заряду, - Стоком; електрод, призначений для регулювання поперечного перетину каналу, - затвором. При підключенні до витоку негативної (для n -каналу), а до стоку позитивної напруги (мал. 1) в каналі виникає електричний струм, що створюється рухом електронів від витоку до стоку, тобто основними носіями заряду. У цьому полягає істотна відмінність польового транзистора від біполярного. Рух носіїв заряду уздовж електронно-діркового переходу (а не через переходи, як в біполярному транзисторі) є другою характерною особливістю польового транзистора.

Електричне поле, що створюється між затвором і каналом, змінює щільність носіїв заряду в каналі, тобто величину протікаючого струму. Оскільки управління відбувається через назад зміщений р-n перехід, опір між управляючим електродом і каналом великий, а споживана потужність від джерела сигналу в ланцюзі затвора дуже мала. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливань як по потужності, так і по струму і напрузі.

За принципом дії і технології виготовлення ПТ можна розділити на 2 групи:

- ПТ з керівником p-n переходом і бар'єром Шотки;

- ПТ з ізольованим затвором із структурою метал - діелектрик - напівпровідник (МДП - транзистор), іноді його називають МОН - транзистором (метал - оксид - напівпровідник).

У свою чергу ПТ з ізольованим затвором підрозділяються на:

- з індукованим каналом (збагаченого типу);

- з вбудованим каналом (збідненого типу).

В даний час випускається велика кількість ПТ різного типу:

- канал провідності збагаченого типу;

- канал провідності збідненого типу;

- перехід PN;

- перехід NP;

- P - канал на підкладці;

- N - канал на підкладці;

- затвор ізольований.

Рис. 2. Структура польового транзистора з ізольованим затвором:

а) - з індукованим каналом; б) - з вбудованим каналом.

Польовий транзистор з ізольованим затвором - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика. Польовий транзистор з ізольованим затвором складається з пластини напівпровідника (підкладки) з відносно високим питомим опором, в якій створено дві області з протилежним типом електропровідності (мал. 2). На ці області нанесені металеві електроди - витік і стік. Поверхня напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром діелектрика (зазвичай шаром оксиду кремнію). На шар діелектрика нанесений металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика і напівпровідника. Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДН- транзисторами або МОН- транзисторами (метал - оксид- напівпровідник).

Існують два різновиди МДН-транзисторов з індукованим і з вбудованим каналами.

У МДН-транзисторах з індукованим каналом провідний канал між сильнолегованими областями витоку і стоку і, отже, помітний струм стоку з'являється тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі щодо витоку (негативного при р-каналі і позитивного при n-каналі). Цю напругу називають пороговою (UЗИ.пор). Оскільки поява і зростання провідності індукованого каналу пов'язані із збагаченням його основними носіями заряду, то вважають, що канал працює в режимі збагачення.

У МДН - транзисторах з вбудованим каналом провідний канал, виготовляється технологічним шляхом, утворюється при напрузі на затворі рівному нулю. Струмом стоку можна управляти, змінюючи значення і полярність напруги між затвором і витоком. При деякій позитивній напрузі затвор - витік транзистора з р - каналом або негативній напрузі транзистора з n -каналом струм в ланцюзі стоку припиняється. Цю напругу називають напругою відсічення (UЗИ.отс). МДН - транзистор з вбудованим каналом може працювати як в режимі збагачення, так і в режимі послаблення каналу основними носіями заряду.

 

Польовий транзистор як елемент схеми є активним несиметричним чотириполюсником, у якого один із зажимів є загальним для ланцюгів входу і виходу. Залежно від того, який з електродів польового транзистора підключений до загального виводу, розрізняють схеми: із загальним витоком і входом затвор; із загальним стоком і входом на затвор; із загальним затвором і входом на витік. Схеми включення польового транзистора показані на мал. 3.

По аналогії з ламповою електронікою, де за типову прийнята схема із загальним катодом, для польових транзисторів типовою є схема із загальним витоком.

Рис.4. Еквівалентна схема польового транзистора.

 

Еквівалентна схема польового транзистора, елементи якої виражені через У-параметры, приведена нарис. 4. При такому підключенні кожна з провідностей має фізичний сенс.

 

Параметри польового транзистора.

Вхідна провідність визначається провідністю ділянки затвор - витік УЗИ = У11 + У12; вихідна провідність - провідність ділянки стік - витік УСИ = У22 + У21; функції передачі - кривою вольт-амперної характеристики S = У21 - У12; функція зворотної передачі - прохідною провідністю УЗС = У12. Ці параметри застосовуються за первинні параметри польового транзистора, використовуваного як чотириполюсник. Якщо первинні параметри чотириполюсника для схем із загальним витоком визначені, то можна розрахувати параметри для будь-якої іншої схеми включення польового транзистора.

Початковий струм стоку IС.нач - струм стоку при напрузі між затвором і витоком, рівній нулю і напрузі на стоці, рівній або що перевищує напругу насичення. Залишковий струм стоку IС.ост - струм стоку при напрузі між затвором і витоком, що перевищує напругу відсічення. Струм витоку затвора IЗ.ут - струм затвору при заданій напрузі між затвором і рештою виводів, замкнутими між собою. Зворотній струм переходу затвор - стік IЗСО - струм, що протікає в ланцюзі затвор - стік при заданій зворотній напрузі між затвором і стоком і розімкненими рештою виводів. Зворотний струм переходу затвор - витік I ЗІО - струм, що протікає в ланцюзі затвор - витік при заданій зворотній напрузі між затвором і витоком і розімкненими рештою виводів.

Напруга відсічення польового транзистора UЗИ.отс - напруга між затвором і витоком транзистора з р-n переходом або ізольованим затвором, послаблення, що працює в режимі, при якому струм стоку досягає заданого низького значення. Порогова напруга польового транзистора UЗИ.пор - напруга між затвором і витоком транзистора з ізольованим затвором, збагачення, що працює в режимі, при якому струм стоку досягає заданого низького значення.

Крива характеристик польового транзистора S - відношення зміни струму стоку до зміни напруги на затворі при короткому замиканні по змінному струму на виході транзистора в схемі із загальним витоком.

Вхідна ємкість польового транзистора С11і - ємність між затвором і витоком при короткому замиканні по змінному струму на виході в схемі із загальним витоком. Вихідна ємність польового транзистора С22і - ємність між стоком і витоком при короткому замиканні по змінному струму на вході в схемі із загальним витоком. Прохідна ємність польового транзистора C12и - ємність між затвором і стоком при короткому замиканні по змінному струму на вході в схемі із загальним витоком. Ємність затвор -сток СЗСО - ємність між затвором і стоком при розімкнених по змінному струму решті виводів. Ємність затвор - витік СЗІО ємність між затвором і витоком при розімкнених по змінному струму решті виводів.

Коефіцієнт посилення по потужності Кур - відношення потужності на виході польового транзистора до потужності на вході при певній частоті і схемі включення.

 

Частотні властивості польових транзисторів визначаються постійною часу RC - ланцюгу затвора. Оскільки вхідна ємкість С₁₁і у транзисторів з р-n переходом велика (десятки пікофарад), їх застосування в підсилювальних каскадах з великим вхідним опором можливо в діапазоні частот, що перевищують сотні кілогерц - одиниці мегагерц.

При роботі в перемикальних схемах швидкість перемикання повністю визначається постійною часу RC - ланцюгу затвора. У польових транзисторів з

Шумові властивості. ізольованим затвором вхідна ємкість значно менша, тому їх частотні властивості набагато кращі, ніж у польових транзисторів з р- n переходом.

Шумові властивості польових транзисторів оцінюються коефіцієнтом шуму КШ, який мало залежить від напруги стік - витік, струму стоку і навколишньої температури (нижче 50 0 С) і монотонно зростає із зменшенням частоти і внутрішнього опору джерела сигналу. Коефіцієнт шуму вимірюють в заданому режимі по постійному струму UСИ, IC на певній частоті.

Замість коефіцієнта шуму іноді указують шумову напругу польового транзистора Uш - еквівалентна шумова напруга, приведена до входу, в смузі частот при певному повному опорі генератора в схемі із загальним витоком; шумовий струм Iш - еквівалентний шумовий струм, приведений до входу, при розімкненому вході в смузі частот в схемі із загальним витоком.

Теплові параметри.

Теплові параметри польового транзистора характеризують його стійкість при роботі в діапазоні температур. При зміні температури властивості напівпровідникових матеріалів змінюються. Це приводить до зміни параметрів польового транзистора, в першу чергу, струму стоку, струму витоку затвора.

Залежність зміни струму стоку від температури визначається двома чинниками: контактною різницею потенціалів р- n переходу і зміною рухливості основних носіїв заряду в каналі. При підвищенні температури контактна різниця потенціалів зменшується, опір каналу падає, а струм збільшується. Але підвищення температури приводить до зменшення рухливості носіїв заряду в каналі і струму стоку. За певних умов дія цих чинників взаємокомпенсується і струм польового транзистора перестає залежати від температури. На мал. 5. приведені стоко-затворні характеристики при різних температурах навколишнього середовища.

Рис.5. Стік - затворні характеристики польового транзистора при різних температурах середовища, також вказано положення термостабільної крапки. Залежність кривої характеристики від температури у польових транзисторів така ж, як і у струму стоку. Із зростанням температури струм витоку затвора збільшується. Хоча абсолютна зміна струму незначна, його треба враховувати при великих опорах в ланцюзі затвора. В цьому випадку зміна струму витоку затвора може викликати істотну зміну напруги на затворі польового транзистора і режиму його роботи. Температурна залежність струму витоку затвора польового транзистора з р-n переходом приведена на мал. 6.

Рис.6. Залежність струму витоку затвора польового транзистора від температури.

У польовому транзисторі з ізольованим затвором струм затвора практично не залежить від температури.

 

 

Максимально допустимі параметри.

Максимально допустимі параметри визначають значення конкретних режимів польових транзисторів, які не повинні перевищуватися за будь-яких умов експлуатації і при яких забезпечується задана надійність. До максимально допустимих параметрів відносяться: максимально допустима напруга затвор - витік UЗИmax, затвор - стік UЗСmax, стік - витік UСИmax, максимально допустима напруга стік - підкладка UСПmax, витік - підкладка UИПmax, затвор - підкладка U Зпmax. Максимально допустимий постійний струм стоку I Сmax максимально допустимий прямий струм затвора IЗ(пр)max, максимально допустима постійна розсіювана потужність Рmax.

 

а) б)

Рис.. 7. Вольт – амперні характеристики польового транзистора з

каналом n- типу: а – стічні;

б – стоко - затворні.

Вольт - амперні характеристики польових транзисторів встановлюють залежність струму стоку IC від одного з напруги UСИ або UЗИ при фіксованій величині другого.

У МДН - транзисторі з індукованим каналом з підкладкою р-типу при UЗИ = 0 канал n -типу може знаходитися в провідному стані. При деякій пороговій напрузі UЗИ.ПОР < 0 за рахунок збіднення каналу основними носіями провідність його значно зменшується. Статичні стічні характеристики в цьому випадку матимуть вигляд, зображений на мал. 7, а стоко - характеристика затвора перетинає вісь ординат в крапці із значенням струму IC.НАЧ.

Особливістю МДП - транзистора з індукованим каналом n - типу є можливість роботи без постійної напруги зсуву (U ЗІ = 0) в режимі як послаблення, так і збагачення каналу основними носіями заряду. МДН - транзистор з вбудованим каналом має вольт-амперні характеристики, аналогічні зображеним на мал. 7.

У МДН - транзисторів всіх типів потенціал підкладки щодо витоку робить помітний вплив на вольт-амперні характеристики і відповідно параметри транзистора. Завдяки дії на провідність каналу підкладка може виконувати функцію затвора. Напруга на підкладці щодо витоку повинна мати таку полярність, щоб р-n перехід витік - підкладка включався у зворотному напрямі. При цьому р-n перехід канал - підкладка діє як затвор польового транзистора з керівним р-n переходом.

Застосування польових транзисторів.

Польові транзистори мають вольт-амперні характеристики, подібні до лампових, і володіють всіма принциповими перевагами транзисторів. Це дозволяє застосовувати їх в схемах, в більшості випадків використовувалися електронні лампи, наприклад, в підсилювачах постійного струму з високоомним входом, в електрометричних підсилювачах, різних реле часу, RS - генераторах синусоїдальних коливань низьких і інфранизьких частот, в генераторах пилкоподібних коливань, підсилювачах низької частоти, що працюють від джерел з великим внутрішнім опором, в активних RC - фільтрах низьких частот. Польові транзистори з ізольованим затвором використовують у високочастотних підсилювачах, змішувачах, ключових пристроях.

У рекомендації по використанню транзисторів для випадку польових транзисторів слід внести доповнення:

1. На затвор польових транзисторів з р-n (негативне для транзисторів з р - каналом і позитивним для транзистора з п - каналом).

2. Польові транзистори з ізольованим затвором слід зберігати із закороченими виводами. При включенні транзисторів в схему повинні бути прийняті всі заходи для зняття зарядів статичної електрики. Необхідне паяння проводити на заземленому металевому листі, заземлити жало паяльника, а так само руки монтажника за допомогою спеціального металевого браслета. Не слід застосовувати одяг з синтетичних тканин. Доцільно під'єднувати польовий транзистор до схеми, заздалегідь закоротивши його виводи.

Питання для самоконтролю:

1. Який принцип роботи біполярного транзистора?

2. Які основні параметри транзисторів?

3. Які особливості роботи транзистора при трьох основних схемах його вмикання?

4. Що таке коефіцієнт передачі транзистора за струмом і як його можна визначити?

5. Поясніть роботу транзистора за схемою його заміщення.

6. Як класифікуються біполярні транзистори?

8. Який фізичний зміст h- параметрів транзистора?

9. Чим відрізняються біполярні транзистори від польових?

10. Який принцип роботи польового транзистора?.

11. Які ви знаєте різновиди МДН-транзисторів?

12. Яке ви знаєте застосування транзисторів?

Лекція №6

 

ТЕМА: Тиристори. Структура і принцип дії.

 

План:

1.Поняття тиристор.

2.Структура та ВАХ тиристора.

3.Принцип дії тиристора.

4.Застосування тиристорів.

 

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з трьома p-n переходами, на вольт-амперній характеристиці якого є ділянка з від'ємним диференціальним опором і котрий має два стійкі стани - закритий і відкритий. У закритому стані опір тиристора великий, а у відкритому - незначний.

Тиристори широко використовуються в електронних пристроях як керовані випрямлячі, перетворювачі частоти, регулятори змінного струму, порогові, комутуючі та підсилювальні елементи.

Тиристори поділяються на діодні (динистори), тріодні (тринистори), запірні і симетричні (симистори).

 

 

Рис. 1. Структура динистора (a) і його

вольт-амперна характеристика (б).

Діодні тиристори виготовляються з кремнію і мають шарувату p-n-p-n структуру (рис.5.1,а). Крайні області структури називаються емітерами, а внутрішні - базами. Виводи, що мають омічні контакти з крайніми областями називаються анодом і катодом. Зовнішня напруга до динистора прикладається так, щоб крайні переходи П1 і П3 були відкриті, а середній П2 - закритий. В результаті, майже вся напруга живлення виявляється прикладеною до закритого переходу П2.

Для основних носіїв, інжектованих з емітерів в бази, поле переходу П2 є прискорюючим, тому деяка їх частина проходить через цей перехід, створюючи невеликий струм через закритий динистор. Рух носіїв через перехід П2 спричиняє зниження потенціального бар'єру переходу. При підвищенні прикладеної напруги струм через динистор спочатку майже не змінюється, аж поки напруга не досягне критичного значення , рівного напрузі вмикання .

При цьому відбувається лавиноподібне зростання числа носіїв заряду через перехід П2 і різке зниження потенціального бар'єру до повного відкривання динистора. Струм через динистор різко зростає і обмежується лише опором навантаження, тобто динистор переходить із закритого стану у відкритий. Cпад напруги на відкритому динисторі значно зменшується. Подальше збільшення напруги живлення приводить до ще більшого зростання струму через динистор. На рис.5.1,б. приведено вольт-амперну характеристику динистора. Ділянка ОА відповідає вимкненому (закритому) стану з великим диференціальним опором. Ділянка АБ є нестійкою з від'ємним диференціальним опором, ділянка БВ відповідає ввімкненому (відкритому) стану динистора з низьким диференціальним опором.

При зниженні прикладеної напруги струм через динистор зменшується і при досягненні другого критичного значення I_кр.2 тиристор переходить у закритий стан, а струм через нього практично припиняється.

Рис. 2. Структура тринистора (a) і його

вольт-амперні характеристики (б)

Тріодні тиристори відрізняються від діодних додатковим керуючим електродом, введеним в p-область (рис.5.2,а). За допомогою цього електрода можна керувати моментом ввімкнення тиристора, (а в запірних і моментом вимкнення), впливаючи на процес інжекції електронів з емітера в базу.

На рис.5.2,б приведена сім'я вольт-амперних характеристик тринистора для різних величин струму керування. З рис.5.2,б видно, що при зростанні струму керування напруга вмикання зменшується. Характеристика для співпадає з характеристикою динистора. При достатньо великому струмі керування , який називають струмом спрямлення, характеристика тиристора наближається до характеристики звичайного діода у прямому включенні. Вольт-амперні характеристики тиристорів при оберненому включенні не відрізняються від характеристик звичайних діодів.

Пошарову структуру p-n-p-n типу можна розглядати як структуру з двох транзисторів p-n-p та n-p-n типів (рис.5.3), в якій колектор одного транзистора є базою іншого і навпаки. Так як керуючий струм є одночасно і базовим для транзистора Т2, то він спричиняє появу його колекторного струму I_к2. Цей струм, у свою чергу, є базовим для транзистора Т1 і зумовлює появу його колекторного струму . Однак колекторний струм транзистора T1 є одночасно і базовим cтрумом транзистора T2, що створює замкнуте коло зворотного додатного зв'язку. Отже, при появі керуючого струму така система за рахунок внутрішнього додатного зворотного зв'язку може перекинутися в інший (відкритий) стан і перебувати у ньому навіть при припиненні керуючого струму.

 

Рис. 3. Двотранзисторна модель роботи тиристора.

До основних параметрів тиристора відносяться:

1. Напруга вмикання - основна напруга в точці вмикання.

2.Струм вмикання -основний струм в точці вмикання.

3.Утримуючий струм - найменший основний струм, при якому тиристор утримується у відкритому стані.

4. Напруга у відкритому стані - основна напруга у відкритому стані при вказаному струмі.

5.Відкриваючий постійний струм керування тиристора -мінімальне значення постійного струму керуючого електрода, яке забезпечує відкривання тиристора при вказаному режимі.

6.Максимально допустимий струм у відкритому стані - .

7.Максимально допустима зворотна напруга .

8.Максимально допустимий струм керуючого електрода .

9.Максимально допустима середня розсіювана потужність .

Маркування тиристорів:

1 позиція - літера Т, що вказує на призначення;

2 позиція – літера, яка вказує на вид тиристора (-швидкодійний, С-симетричний, Ч-частотний, П-із зворотною провідністю);

3 позиція – три цифри, які характеризують конструктивні особливості;

4 позиція – число, яке відповідє середньому струму Іа в амперах;

5 позиція – клас за напругою, на яку розрахований тиристор;

6-позиція – цифри, які визначають номери груп за швидкістю наростання напруги та часом вимикання.

Наприклад: ТБ133-250-8-52 – тиристор, швидкобійний, середній анодний струм 250А, восьмий клас за напругою, п’ята група за наростанням напруги та друга група за часом вимикання.

Питання для самоконтролю:

1. Що таке тиристор?

2. Поясніть механізм відкривання та закривання тиристора.

3. Поясніть особливості вольт-амперних характеристик тиристорів.

4. Поясніть роботу тиристора за його двотранзисторною моделлю.

5. Перерахуйте основні параметри тиристорів.6. Яке маркування тиристорів?

 

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Основы промышленной электроники: Учебник; Под ред. Герасимова В.Г. М.: Высш. шк., 1986. – 336с.

2. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники К.: Вища шк., 1987. – 423с.

3..Гусев В. Г., Гусев Ю. Электроника. М.: Высш. шк. 1991 – 623с.

 

4. Руденко В.С., Ромашко В.Я., Трифонюк В.В. Промислова електронiка: Пiдручник-К.: Либiдь, 1993.-432с.

5. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. К.: Вища шк. 1980. – 464с.

 

6. Галкин В. И., Булычев А. Л., Ляпин П. М. Полупроводниковые приборы. Справочник. Минск: Беларусь, 1995. – 383с.