Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы
ТИРИСТОРЫ И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ КЛЮЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРЫ
Наряду с приборами, дающими возможность осуществлять линейное усиление сигналов, в электронике, в вычислительной технике и, особенно в автоматике широкое применение находят приборы с падающим участком вольтамперной характеристики. Эти приборы чаще всего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротивлением.
10—15 лет назад в схемах электронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонаполненный прибор — тиратрон. При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящим и замыкал силовую цепь.
С появлением плоскостного биполярного транзистора появилась в самом начале 50-х годов и четырехслойная структура, получившая вначале название «хук-транзистор», или транзистор с ловушкой в коллекторе.
Несколько позже было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и транзистор).
В ходе развития полупроводниковой техники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характеристиками, хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определение тиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.
Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терминологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, называется триод-тиристором. Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.
Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. считать правую n-область коллектором, и подать на нее отрицательное по отношению к базе (средняя n-область) смещение, а эмиттер (левая р-область) временно оставить разомкнутым, то подключенную к источнику питания
рис.1 Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-п-р-п с двойным переходом (ловушкой) в коллекторе.
часть транзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику питания. База этого условного транзистора к схеме не подключена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).
Так как в данном случае мы имеем дело не с транзистором р-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что коллектором этого условного транзистора должен быть электрод, к которому подводится положительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому подводится отрицательное напряжение. Другими словами, полярность приложенного к условному транзистору напряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеет смещение в прямом направлении.
Обозначая двумя штрихами величины, относящиеся к этому условному транзистору, запишем
I’’к= I’’э =(B’'0+1)* I’’к0
Отметим, что для структуры р-п-р-п в целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенном эмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматриваемой нами структуре, будем записывать без индексов. Таким образом,
Iк0 = I’’к =(B’'0+1)* I’’к0
т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-п в (B’'0+1) раз превосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р-п.
Так как выходным электродом условного транзистора п-р-п является его эмиттер, а коллектор подключен к заземленной точке, то можно считать, что условный транзистор включен по схеме с общим коллектором. Входным электродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р-область.
Для транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно
ê I’’э ê I’’э 1 1
ê I’’б êI’’э- êI’’к 1- êI’’к/êI’’э 1 - a’’0
Следовательно, изменение тока базы условного транзистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1 - a’’0 ) раз большему.
Если подать смещение в прямом направлении на левый р-п переход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, включенный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условного транзистора I’э будет, очевидно, равен току эмиттера Iэ структуры р-п-р-п.
Таким образом, получаем, что структура р-п-р-п представляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостных транзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором
п-р-п, включенным по схеме с общим коллектором. Рис а, б
Так как области n1 и n2 практически представляют собой одну и ту же n-область, связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p1 и р2 соединенными проводником.
Усиление по току структуры в целом определяется соотношением
a0 =a’ 0/[1-a’’ 0]
Таким образом, при условии, что коэффициент усиления по току каждого из условных транзисторов ( a’0, и a’’0) меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры
а) б)
Схематическое изображение двух стадий (а и б) разделения транзистора р-п-р-п на два условных триода р-п-р и п-р-п
р-п-р-п в целом может значительно превышать единицу. Поясним механизм работы этой структуры с помощью энергетических диаграмм рис. 2. Когда отсутствует внешнее напряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2 а) будет иметь вид, представленный на рис. 2 б
Дополнительный потенциальный барьер в коллекторе принято обычно называть ловушкой, в связи с чем структуру типа р-п-р-п иногда называли транзистором с ловушкой в коллекторе.
Когда приложены внешние напряжения указанной выше полярности, высота потенциального барьера среднего перехода резко возрастает, а высота левого и правого потенциальных барьеров несколько понижается. Если рассматривать только теоретическую модель, т. е. пренебречь падением напряжения на распределенном сопротивлении, то высота левого барьера понизится на величину приближенного к эмиттеру напряжения, а высота правого барьера на величину, определяемую током I’к, протекающим через этот переход рис.в
Изменение напряжения между эмиттером и базой приводит к инжекции дырок в среднюю n-область. Диффундируя через среднюю n-область и попадая через запертый переход в среднюю р-область, дырки повышают концентрацию основных носителей в этой области.
Повышение концентрации основных носителей в средней р-области приводит к понижению высоты правого р-п перехода и инжекции электронов из правой n-области в среднюю р-область. Электроны проходят среднюю р-область и уходят через потенциальный барьер в среднюю n-область. Часть из них рекомбинирует в р-области.
Условие равновесия и электрической нейтральности требует чтобы число дырок, вошедших в р-область, было равно числу электронов рекомбинировавших при движении через p-область.
Отсюда ясно, что поскольку рекомбинирует в объеме 1 - a’’0 от всех вошедших в этот объем электронов то появление в средней р-области некоторого количества дырок
вызывает инжекцию в эту область в 1/(1 - a’’0 ) раз большего количества электронов. Так как число дырок, достигших средней р-области, a’0 в раз меньше числа дырок, инжектированных эмиттером (левой p-областью), а число электронов, вызванных этими дырками из правой n-области, в 1/(1 - a’’0 ) раз больше, чем число дырок, достигших р-области, то результирующий коэффициент передачи тока оказывается равным:
a0 = a’0 /(1 - a’’0)
Рис. 2. Диаграммы положения границ зон и прохождения носителей заряда в структуре р-п-р-п:
а—схематическое изображение структуры р-п-р-п, б - положение границ зон при отсутствии внешних напряжений, в—положение границ зон при подаче, на коллектор отрицательного, а на эмиттер положительного смещения относительно базы
