U=jT[ln(Iп1/ Iэ01)-ln[(a1Iп1+a3Iп3)- Iп2]/ Iэ02+ln (Iп3/Iэ03)] (9 a)
(токи I`э0 заменены на Iэ0, так как принято a1= 0).
Учитывая, что Iп1 = Iп2 = Iп3 = I и полагая токи Iэ0 одинаковыми у всех переходов, получаем простое приближенное выражение:
U=jT ln([I/Iэ0]/[a-1]) (9 б)
Вблизи точки Н, где a @1, увеличение тока, а вместе с ним коэффициента а приводит к сильному увеличению разности a - 1 и напряжение несколько уменьшается (участок 4). В точке ОП напряжение достигает минимума и в дальнейшем растет с ростом тока (участок 5) за счет падения напряжения в толстой базе (Наличие толстой базы в структуре динистора характерно для большинства реальных приборов по конструктивно-технологическим причинам. Коэффициент переноса c в такой базе существенно меньше единицы, поскольку обычно w >> L. Это обстоятельство не препятствует работе динистора, если выполняется условие a1+ a3> 1. Более того, малый коэффициент переноса в толстой базе желателен, потому что при этом суммарный коэффициент a в области малых токов нарастает медленнее, а это обеспечивает большие напряжения переключения.).
Обычно параметры точек Н и ОП близки друг к другу, поэтому можно вычислять координаты точки ОП по формулам (8) и (9).
При отрицательном напряжении U переход П2 оказывается смещенным в прямом направлении и дырки инжектируются в слой n1, а электроны — в слой p2. Переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении и являются в данном случае коллекторными. Таким образом, динистор в этом режиме эквивалентен двум последовательно включенным транзисторам (р-п-р и п-р-п) с оборванными базами. Напряжение пробоя в такой комбинации зависит от типа переходов П1 и П3 (плавные или ступенчатые), а также от материала баз.
Важной проблемой при разработке динисторов и других аналогичных приборов является обеспечение плавного изменения коэффициента а в области малых токов. Действительно, как уже отмечалось, 2-й (переходный) участок вольт-амперной кривой (рис. 4) характерен заметной и растущей ролью слагаемого aI по сравнению с током Ik0 в формуле (3). Значит, чем медленнее увеличивается a c ростом тока, тем позднее (при больших токах) начнется 2-й участок и тем больше будет напряжение переключения, что обычно желательно в таких приборах. С этой точки зрения предпочтительным материалом для динисторов является кремний, так как у кремниевых переходов благодаря большей роли процессов генерации - рекомбинации коэффициент инжекции при малых токах близок к нулю и с ростом тока увеличивается весьма медленно. Еще одним преимуществом кремния является малая величина тока в запертом состоянии прибора. Однако, с другой стороны, кремниевые переходы характерны большей величиной прямого напряжения и большим сопротивлением слоев. Это ухудшает параметры динистора в открытом состоянии.
Рис. 5. Структура тринистора.
Чтобы ослабить зависимость a (I) при малых токах (особенно у германиевых структур), часто шунтируют эмиттерный переход небольшим сопротивлением R. Тогда значительная часть общего тока ответвляется в это сопротивление, минуя эмиттер. Тем самым эмиттерный ток, а вместе с ним и коэффициент а при прочих равных условиях уменьшаются.
В последнее время одну из баз динисторов обычно легируют золотом. Цель такого легирования - уменьшить время жизни и тем самым время переключения. При этом одновременно возрастает отношение w/L (поскольку L =(dt) 1/2), а значит, и коэффициент a, что опять-таки способствует повышению напряжения переключения.
Тринистор. Снабдим одну из баз динистора, например п1, внешним выводом и используем этот третий электрод для задания дополнительного тока через переход p1-n1 (рис. 5) (Реальные четырехслойные структуры характерны различной толщиной баз. В качестве управляющей используется тонкая база, у которой коэффициент передачи a1 близок к единице.). Тогда получится прибор, обладающий свойствами тиратрона. Для такого прибора (тринистора) принята та же терминология, что и для обычного транзистора: выходной ток называется коллекторным, а управляющий — базовым. Эмиттером считается слой, примыкающий к базе, хотя с физической точки зрения эмиттером является и второй внешний слой (в нашем случае п2). Условное обозначение тринистора вместе с семейством характеристик показано на рис. 6. Как видим, увеличение управляющего тока Iб приводит прежде всего к уменьшению напряжения прямого переключения. Кроме того, несколько возрастает ток прямого переключения, а ток обратного переключения уменьшается.В результате отдельные кривые с ростом тока Iб как бы «вписываются» друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательного участка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).
Элементарный анализ тринистора можко провести, исходя из формулы (1), в которой нужно положить Iп3 = Iп2 = Ik и Iп1 = Ik + Iб. Тогда вместо формулы (2) получим для тока Ik более общее выражение
Ik = (MIk0+(Ma1)Iб)/(1-Ma) (10)
Здесь по-прежнему a = a1 + a3 — суммарный коэффициент передачи, в котором составляющая a3 является функцией тока Ik, а составляющая a1 - функцией суммы токов Ik + Iб. Задавая положительный ток Iб, мы тем самым задаем начальное значение коэффициента a1 (при Ik ==0). Поэтому любому току Ik будет соответствовать большее значение a, а значит, и большее значение а, чем при Iб = 0.
Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тринистора при положительном токе базы.
Решая (10) относительно M и используя выражение для характеристики в области ионизации, не-. трудно представить вольт-амперные характеристики тринистора в форме Uк (Iк):
Uк =Um[(1- a Iк + Iк0 +a1Iб)/ Iк]1/n (11)
В частном случае, при Iб = 0, получается характеристика динистора (3). Выражение (11) ясно показывает, что данному току Iк соответствует тем меньшее напряжение Uk, чем больше ток Iб (рис.6). Рассмотрим отдельные участки этого семейства.
На начальном участке мы имеем по существу семейство характеристик обычного транзистора в схеме ОЭ.
Координаты точек прямого переключения определяются, как и в динисторе, условием dUk/dIk, == 0. Анализ показывает, что ток Iп.п возрастает с увеличением тока базы.
На рис. 7 показана пусковая характеристика тринистора, т. е. зависимость Uп.п (Iб).
Координаты точки Н, в которой напряжение на коллекторном переходе П2 падает до нуля, определяются условием Uk = 0 в формуле (11).
Так же как в динисторе, можно в этой точке считать a @ 1 и определять ток Iн из условия
a=a1(Iн + Iб)+ a3(Iн)==1. (12)
Отсюда видно, что увеличение тока Iб, а значит, и коэффициента a1 сопровождается уменьшением коэффициента a3, а значит, и тока Iн. Соответственно несколько меньше будет и ток Io.п в точке обратного переключения.
Параметры тринистора в открытом состоянии практически не отличаются от параметров динистора, поскольку ток Ik в этой области значительно больше тока Iб, и поэтому токи обоих крайних переходов почти одинаковы.
Рис. 7. Пусковая характеристика тринистора
До сих пор мы рассматривали кривые с параметром Iб >0. При этом подразумевалось, что источник базового тока представляет собой э. д. с. Eб < О, включенную последовательно с сопротивлением Rб (см. рис. 6). В частном случае, при Iб=0, можно было считать Eб = 0; rб = ¥ . Теперь рассмотрим работу тринистора в условиях обратного смещения (Eб > 0) (рис. 8). Пусть э. д. с. Eб достаточно велика и эмиттерный переход заперт. Тогда тринистор превращается в транзистор п1-р2-п2 (с оборванной базой p2), который включен последовательно с сопротивлением Rб и питается напряжением Eб + Uk. Коллекторный ток при таком включении будет током транзистора в схеме ОЭ с оборванной базой:
Ik=MIk0/(1-Ma3)
где a3 - коэффициент передачи тока от перехода П3 к переходу П2. Реальное запирающее смещение на эмиттерном переходе будет меньше, чем э. д. с. Eб, на величину Ik Rб. С ростом тока Ik смещение будет уменьшаться, и при некотором токе I0, когда Eб - I0Rб = 0, эмиттерный переход отопрется. После этого базовый ток будет иметь неизменную отрицательную величину:
Рис. 8. Вольт-амперные характеристики тринистора при отрицательном токе базы.
Iб= -I0= -Eб/Rб (13)
которую можно считать параметром соответствующей характеристики. Если в формуле (11) положить a1=0 и a= a3 и подставить Ik = I0, можно получить напряжение отпирания эмиттерного перехода:
U0 =UM [1-(a3 I0 + Ik0)/ I0]1/n (14)
Из формулы (13) видно, что ток I0, равный параметру кривой (току Iб), возрастает вместе с модулем параметра. Что касается напряжения U0, то оно несколько увеличивается.
Ток обратного переключения можно найти из уравнения (12), если считать Iн@Iо,п В случае малых отрицательных токов базы ток Iо,п заметно больше тока I0@ôIбô. При больших токах ôIбô эта разница уменьшается. Отношение Iо,п/ôIбô можно назвать коэффициентом усиления при выключении; он определяется .величиной а1/(а-1) и в обычных тринисторах не превышает (1). Очевидно, что с точки зрения управляемости при запирании суммарный коэффициент передачи а не следует делать намного большим единицы.
На рис. 9, а показана типичная схема включения тринистора, а на рис. 9, б - ее рабочий цикл. Пусть Ek < Uп,по. Тогда в запертом состоянии и при токе Iб = 0 рабочей точкой будет точка а. Увеличивая ток Iб до значения Iб1, мы вызовем скачкообразный переход рабочей точки из положения a1 в положение b. В этом открытом состоянии тринистора падение напряжения на нем составляет всего лишь около 1 в, как и в динисторе. Поэтому ток нагрузки практически равен Ek/Rk. Для того чтобы запереть тринистор, т. е. вернуться в точку а, нужно либо уменьшить рабочий ток до величины Ik < Io.п
Рис 9. Типовая схема включения тринистора (а) и ее рабочий цикл (б)
(путем понижения питающего напряжения), либо задать в базу отрицательный импульс тока. Оба случая иллюстрируются пунктирными линиями на рис. 9, б.
В первом случае рабочая точка скачком переходит из положения b1 в положение a2, а затем (после восстановления Э. Д. С. Ek) - в исходную точку а. Во втором случае из точки b происходит скачок в точку a3, а затем (по окончании запирающего импульса) возвращение в точку а. Первый путь известен из тиратронной техники, второй специфичен для тринистора, так как тиратрон нельзя погасить со стороны сетки. Правда, базовый ток «гашения» в тринисторе оказывается сравнительно большим из-за малого коэффициента усиления при выключении.
Основная тенденция при разработке современных тринисторов состоит в повышении рабочих токов и, напряжений с тем, чтобы заменить соответствующие газоразрядные приборы (газотроны и тиратроны). В настоящее время рабочие токи тринисторов лежат в пределах 1 000— 2 000 а, а рабочие напряжения — в пределах 2—3 кв. При прочих равных условиях динисторы и тринисторы значительно превосходят газоразрядные приборы по коэффициенту полезного действия, а также по габаритам, весам и сроку службы.
Мощные тринисторы используются в качестве контакторов, коммутаторов тока, а также в преобразователях постоянного напряжения, инверторах и выпрямительных схемах с регулируемым выходным напряжением.
Времена переключения у тринисторов значительно меньше, чем у тиратронов. Даже у мощных приборов (с токами в десятки ампер и больше) время прямого переключения составляет около 1 мксек,а время обратного переключения не превышает 10—20-мксек. Следует заметить, что наряду с конечной длительностью фронтов напряжения и тока имеют место задержки фронтов по отношению к моменту подачи управляющего импульса.
Наряду с мощными тринисторами разрабатываются и маломощные высокочастотные варианты. В таких приборах время прямого переключения может составлять десятки, а время обратного переключения — сотни наносекунд. Столь высокое быстродействие обеспечивается малой толщиной слоев и наличием электрического поля в толстой базе. Маломощные быстродействующие тринисторы используются в различных спусковых и релаксационных схемах.
