Реферат: Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы

a ₀ =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:

a ₀ = 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

положение границ зон до подачи смещения,

изменение положения границ зон правого перехода при попадании инжектированных эмиттером дырок в среднюю р-область.

Коэффициент усиления по току, превышающий единицу, при соответствующем направлении входного и выходного тока обеспечивает работу прибора в ключевом режиме.

Биполярный транзистор при включении его по схеме с общей базой имеет необходимые направления токов, но его коэффициент усиления по току a ₀ < 1. При включении по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току превышает единицу ( B₀ > 1), но не соблюдаются необхо­димые направления токов. В четырехслойной тиристорной структуре выполняются оба эти условия.

Динистор . Рассмотрим работу диода состоящего из четырех че­редующихся слоев p₁ -n₁ -p₂ -n₂ (рис. 5-8, а). Если подать на него не очень большое напряжение U плюсом на слой р ₁ и минусом на слой n₁ , то потечет ток, как показано стрелкой. В результате переходы П₁ и П₂ будут работать в прямом направлении, а переход П₂ - в обратном. Таким образом, получится как бы сочетание двух транзисторов в одном приборе (рис.5-8, б) (Комбинация транзисторов р-п-р и п-р-п, показанная на рис. 5-8, б, действительно обладает свойствами динистора и может быть использована на практике.) : одним транзистором является комбинация слоев p₁ -n₁ -p₂ , другим - комбинация слоев п₁ -р₂ - n₂ . Слои p₁ и n₂ являются эмиттерами, n₁ и p₂ , — базами для одного транзистора и коллекторами для второго. Во избежание путаницы их называют базами. Переход П₂ называют коллекторным.

Рис 3. Структура динистора (а) и его двухтранзисторный эквивалент (б).

Рассмотрим четырехслойную структуру, изображенную на рисунке 3. В этом случае напряжение окажется приложенным с основном к переходу П₂ , который будет работать в режиме коллектора. Переходы П₁ и П₂ окажутся смещенными в прямом направлении. Переход П будет представлять собой эммитер, инжектирующий неосновные носители в область n₁ , выполняющую роль базы для первого эммитера. Дырки, прошедшие первую базу и коллекторный переход П₂ , появляются во второй базе. Их нескомпенсированный объемный заряд будет понижать высоту потенциального барьера перехода П₃ и вызывать встречную инжекцию электронов.

Аналогичным образом можно рассматривать инжекцию электронов из области n2 в область p2 их появление в область n1 и встречную вторичную инжекцию дырок из области p1 в область n1. Таким образом, обе крайние области выполняют роль эммитеров, причем каждый эммитер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эммитера. Этим создаются все необходимые предпосылки для развития лавинного процесса. Тем не менее лавинный процесс роста тока через систему начинается не при любом напряжение на структуре, а только при некотором достаточно большом напряжении.

Если изменить полярность напряжения, приложенного к рассматриваемой структуре, на обратную, то переходы П₁ и П₃ окажутся смещенными в обратном направлении. Если оба эти перехода достаточно высоковольтные, то вольт-амперная характеристика будет иметь вид обратной ветви обычной диодной характеристики.

Пока коллекторный переход работает в обратном направлении, практически все приложенное напряжение U падает на нем. Поэтому при больших значениях U следует учитывать ударную ионизацию в этом переходе. Примем для дырок и электронов один и тот же коэффициент умножения М (чтобы не усложнять выкладки) и обозначим через a₁ и a₃ интегральные коэффициенты передачи тока от переходов П₁ и П₃ к переходу П2. Тогда ток последнего можно записать в следующем виде:

I_п2 =M(Ia₁ +Ia₃ +I_k0 ) (1)