Курсовая работа: Расчет и проектирование динистора

После дифференцирования и преобразования получим

(1.10)

Выражения в скобках в числителе являются дифференциальными коэффициентами передачи токов эмиттеров:

(1.11)

(1.12)

Кроме того, из-за сравнительно слабой зависимости обратного (генерационного) тока от напряжения можно пренебречь первым слагаемым в знаменателе. Тогда вместо (6.10) можно.написать

(1.13)

Знаменатель (1.13) хотя и изменяется, но остается конечным, поэтому условием существования тока переключения (а), для которого по определению dU/dI = 0, из (1.13) будет

(1.14)

Строго говоря, надо проверить функцию U = f(I) в точке а на экстремальность. Для максимума должно выполняться дополнительное требование, чтобы <0. Используя для нахождения второй производной (1.13), получаем дополнительное к (1.14) условие

(1.15)

Физический смысл условия (1.15) состоит в следующем. Если ток во внешней цепи, равный току через эмиттерные переходы, увеличивается по какой-то причине (например, из-за увеличения напряжения источника питания или уменьшения сопротивления нагрузки) на , то при выполнении условия M(+)=1 из-за транзисторного эффекта ток коллекторного перехода также возрастет на такую же величину . Так обеспечивается одинаковость нового значения тока в последовательной цепи р-n-переходов структуры при прежнем токе , т.е. при неизменном напряжении на коллекторном переходе , чему соответствует вертикальный участок ВАХ около точки а на рис. 1.4. Дополнительное условие (1.15) математически означает, что в точке переключения, если она является экстремальной, сумма дифференциальных (или малосигнальных) коэффициентов передачи должна возрастать при увеличении тока I. Но тогда из условия (1.14) следует, что значение М при прохождении через точку переключения должно уменьшиться. Физически последнее возможно только при уменьшении обратного напряжения на среднем переходе , а это означает, что ВАХ после точки переключения а должна пойти влево, создавая участок II ВАХ на рис. 1.4. Последнее и наблюдается экспериментально [13].

Участок II. Продолжающийся после переключения рост тока сопровождается дальнейшим увеличением и и их суммы так, что теперь вместо условия (1.14) следует писать неравенство M(+)>1. Это неравенство означает, что приращение тока в коллекторном переходе станет больше приращения токов в эмиттерных переходах и , т.е. приращения тока во внешней цепи тиристора, что приведет к неравенству токов на различных участках последовательной цепи. Однако в действительности равенство быстро восстанавливается. Объясняется это следующим. Дырки, инжектированные из эмиттера (р₂ -область) проходят через «свою» базовую область и ускоряющим полем коллекторного перехода переносятся в «свою» коллекторную область, заряжая ее положительно. В результате такого нарушения электрической нейтральности областей происходит понижение потенциального барьера среднего перехода . Это можно трактовать как результат нейтрализации приходящими основными носителями противоположного по знаку заряда ионов в приграничных слоях перехода . При этом происходит уменьшение ширины перехода, которое сопровождается снижением тока генерации в переходе .

Понижение потенциального барьера обратно включенного р-n-перехода означает уменьшение напряжения на нем и сопровождается уменьшением коэффициента лавинного умножения, т.е. уменьшением тока через переход. Снижение , ширины перехода, тока и М прекратится, когда ток через средний переход станет равным току через эмиттерные переходы, т.е. когда установится в цепи стационарный ток, одинаковый во всех переходах. Рост тока при понижении напряжения на приборе после точки переключения означает появление отрицательной производной dI/dU, а следовательно, и отрицательного дифференциального сопротивления dU/dI. Однако экспериментальное наблюдение статической характеристики на участке с отрицательным сопротивлением возможно только при выполнении определенного условия, обеспечивающего устойчивую работу прибора, т.е. отсутствие самопроизвольного перехода из одного режима в другой, из одной точки ВАХ в другую [2].

Устойчивость обеспечивается, если сопротивление нагрузки настолько больше модуля отрицательного сопротивления, что нагрузочная прямая, проходящая через точку А на оси напряжений U=E через точку N на оси тока Е/Rн, пересекает участок в одной точке и не пересекает других участков ВАХ, как показано на рис. 1.5. Идеальным является использование генераторов тока (эталонов тока), в которых ток не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. В этом случае вместо нагрузочной прямой AN следует рисовать горизонтальные линии A'N', соответствующие различным устанавливаемым значениям тока с помощью генератора тока. Увеличивая этот ток, проследим весь участок с отрицательным сопротивлением, так как сможем измерить ток и напряжение U на тиристоре в любой точке этого участка.

Рисунок 1.7 – Зависимости суммы интегральных коэффициентов передачи от тока I.

На этом участке есть точка b, для которой ширина среднего перехода окажется равной равновесной ширине, соответствующей нулевому напряжению перехода =0. Будем считать, что в этой точке еще сохраняются транзисторные соотношения и можно применять уравнение (1.6). При =0 в переходе нет обратного тока (= 0), а М= 1. Поэтому из (1.6) можно написать условие для точки b 1–(+)=0 или += 1. Таким образом, состояние, когда =0, наступает при равенстве единице суммы интегральных коэффициентов передачи (в отличие от точки переключения а, для которой единице равна сумма дифференциальных коэффициентов передачи). На рис. 1.6 показаны зависимости этих сумм от тока I. Так как по определению в (1.11) и (1.12) дифференциальные коэффициенты больше интегральных, то точке переключения а соответствует ток переключения , меньший, чем ток при =0 в точке b.

Конечной точкой участка II ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением является точка с на рис. 1.4, точка минимума зависимости U = f(I), где dU/dI = 0. Ток, соответствующий этому условию, называют током удержания , точку с – точкой удержания, а напряжение на тиристоре – напряжением удержания . Остановимся на физических процессах, приводящих к появлению точки с. После прохождения точки b увеличение тока в цепи тиристора будет по-прежнему снижать высоту потенциального барьера среднего перехода и уменьшать его ширину по сравнению с состоянием равновесия этого перехода. Но теперь это означает появление на этом переходе прямого напряжения. Все три перехода оказываются включенными в прямом направлении, а суммарное напряжение на тиристоре уменьшается, так как напряжение на среднем переходе противоположно по знаку напряжению на эмиттерных переходах и . Точке удержания соответствует наименьшее напряжение на тиристоре: оно меньше суммы напряжений на эмиттерных переходах и . При прямом включении всех переходов составные транзисторы и на рис. 1.3 работают в режиме насыщения. Из коллекторных областей этих транзисторов идет встречная инжекция носителей в их базовые области. Формулы, приводимые ранее, теперь оказываются неприменимыми, и расчет тока в цепи тиристора усложняется и должен проводиться по уравнениям Эберса и Молла [3].

Аналитическая расшифровка условия границы участка II dU/dI=0 через параметры тиристора приводит к сложному выражению. Поэтому часто в первом приближении считают, что точки b и с на ВАХ (см. рис. 1.4) совпадают, т.е. для точки с приближенно выполняется условие (+) = 1.

Участок III характеризует изменение тока в тиристоре после точки удержания с. На этом участке все три перехода имеют прямое включение и тиристор можно рассматривать как три диода, включенные последовательно. ВАХ такой системы (участок III) должен быть более крутой, чем у обычного диода. Участок III с большими токами и малым напряжением соответствует состоянию тиристора «открыто».

Участок IV соответствует обратному включению тиристора (полярность источника питания на рис. 1.2 изменена на обратную). В этом случае все переходы имеют обратное включение и вся цепь эквивалентна последовательному включению трех диодов с обратным напряжением. Очевидно, что участок IV ВАХ будет походить на обратную ветвь ВАХ обычного диода, а при достаточно большом напряжении возможен пробой одного из переходов.

2. РАСЧТ ПАРАМЕТРОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ: ДИНИСТОРА

2.1 Некоторые параметры динистора

1. Напряжение включения (U_вкл ) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние (от 10 до 2500В).;

2. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_пp = 0,5÷1В).Ток включения I_вкл ;

3. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается І_удерж ;

4. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор I_откл. ;

5. Максмально допустимая скорость наростания прямого напряжения (dU/dt)max;

6. Максмально допустимая скорость наростания прямого тока (dI/dt)max;