|
|
|
Специальные полупроводниковые приборы
Тиристор (от греч. thyra - дверь) является переключающим прибором. Тиристор - полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n-структурой с тремя последовательными p-n-переходами, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении. Структура диодного тиристора показана на рисунке 1.
Рис. 1 Структура диодного тиристора
Крайние области структуры зовытся p- и n-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу - p- и n-базы. Эмиттерные переходы являются силовыми и называются катодом и анодом. Переход П1 является эмиттерным или катодным, П2 - коллекторным, П3 - эмиттерным или анодным. Структуру тиристора можно представить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из транзисторов Т1 и Т2 типа n-p-n и p-n-p.
Рис. 2 Схема замещения тиристора
База и коллектор транзистора Т1 соединены соответственно с базой и коллектором транзистора Т2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить плюс источника питания, а к катоду - минус, то переходы П1 и П3 будут смещены в прямом, а П2 - в обратном направлении. Таким образом напряжение источника питания окажется приложенным к переходу П2 и будет определяться выражением I=Iк0 / [1-(α1+α2)], где Iк0 - обратный ток перехода П2, α1 и α2 - коэффициенты усиления. Из выражения следует, что ток I зависит от α1 и α2 и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициенты α1+α2 зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе и ряда других факторов.
Посмотрим на вольт-амперную характеристику тиристора.
Рис. 3 Вольт-амперная характеристика диодного тиристора
На характеристике участок ОА соответствует выключенному (закрытому) состоянию тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки Iзкр и сопротивление тиристора очень велико (порядка мегаом). При повышении напряжения до определенного значения Uвкл (на характеристике точка А) ток через тиристор резко возрастает (скачком). Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке AB дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором сопротивления нагрузки рабочая точка смещается на участок BC, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке сопротивление тиристора опять положительное. Для того, чтобы поддерживать тиристор в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее Iуд. Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения, меньшего Iуд и перевести тиристор в выключенное состояние.
Диодный тиристор чаще называют динистором.
Если к одной из базовых областей прилепить вывод, то получится управляемый переключающий прибор, который зовут триодный тиристор или просто тринистор. Подавая через этот вывод прямое (управляющее) напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение Uвкл. Чем больше ток через управляющий переход, тем меньше Uвкл. Вольт-амперная характеристика такого тиристора аналогична ВАХ динистора, только при различных Uвкл (например, при меньших его значениях) точка А (рис. 3) смещается влево, ближе к оси тока. Другими словами, рост тока управляющего электрода приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения. При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, ВАХ триодного тиристора вырождается в ВАХ обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжения на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем Iуд.
Запираемые триодные тиристоры в отличие от обычных тринисторов способны запираться при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тринистора аналогична структуре обычного тринистора.
Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Включают семистор подачей сигналов управления, выключают - снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.
Условное графическое обозначение всяких тиристоров ниже.
Рис. 4 Условное графическое обозначение тиристоров: а) диодный тиристор (динистор); б) диодный симметричный тиристор; в) триодный незапираемый тиристор с управлением по аноду; г) триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д) запираемый тринистор с управлением по аноду; е) запираемый тринистор с управлением по катоду; ж) триодный симметричный незапираемый тиристор с управлением по анодуТуннельные диоды
Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей, т. е. с очень малым сопротивлением. Такие полупроводники называют вырожденными. p-n-переход в таком полупроводнике получается в десятки раз тоньше, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения получается 106 В/см.
В туннельных диодах особую роль играет туннельный эффект, заключающийся в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов совершается в обих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для этих электронов имеются свободные уровни энергии. С точки зрения классической физики такой эффект невозможен, так как физика рассматривает электрон как частицу материи. Но согласно законам квантовой механики электрон имеет двойственную природу: с одной стороны он рассматривается как частица, с другой - как электромагнитная волна, которая без труда проходит потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем. Посмотрим на вольт-амперную характеристику туннельного диода.
Рис. 5 Вольт-амперная характеристика туннельного диода
Вольт-амперная характеристика содержит участок с отрицательным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока), что позволяет использовать его в усилителях и генераторах, а также в разнообразных импульсных устройствах. Качество диода определяют протяженность и длина участка AB.
Обращенный диод. Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси примерно 10-18 см-3, то при прямом напряжении прямой ток практически отсутствует и в ВАХ нет падающего участка. Зато при обратном напряжении туннельный ток значителен, и такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Такие диоды называют обращенными, и они могут работать на более высоких частотах, нежели обычные.Диоды с барьером Шотки
Такие диоды иначе называют диодами на "горячих" носителях. В этих диодах используется контакт между металлом и полупроводником. Диод Шотки представляет собой низкоомную полупроводниковую подложку с высоким содержанием донорной примеси, покрытой сверху тонкой пленкой того же, но более высокоомного полупроводника, на которую нанесен металлический слой. Прямое внешнее напряжение подключают плюсом к металлу, и почти все оно действует на высокоомной пленке. Электроны в ней разгоняются до очень большой скорости (становятся "горячими"), преодолевают потенциальный барьер и попадают в металл. Но в металле не происходит накопления и рассасывания неосновных носителей, как в обычном диоде, поэтому диоды Шотки обладают большим быстродействием, которое зависит от времени пробега электронов через высокоомную пленку (<10-11 с) и барьерной емкости, которая при малой площади контакта весьма мала. Соответственно, диоды Шотки могут работать на частотах до 20 ГГц и время переключения составляет десятые и сотые доли наносекунд. Обратный ток очень мал.p-i-n-диоды
Такие диоды выполняются в виде трехслойной структуры, крайние слои которой состоят из p- и n-областей с относительно боьшой проводимостью, а средний слой - из высокоомного более протяженного полупроводника (типа i), что обеспечивает малую емкость диода. При отсутствии внешнего напряжения сопротивление этой области велико и становится еще больше при обратном напряжении, поскольку области в этом случае обедняются основными носителями. При прямом напряжении из p-области в i-область устремляются дырки, а из n-области - электроны, в результате чего сопротивление диода резко снижается (в тысячи раз).
Лавинно-пролетные диоды
Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) работают в режиме электрического пробоя при постоянном обратном напряжении и при некоторых условиях обладают отрицательным сопротивлением переменному току, что позволяет их использовать для усиления и генерации колебаний. Такое отрицательное сопротивление получается только на СВЧ, на более низких частотах оно не возникает.
Допустим к ЛПД приложено постоянное обратное и некоторое переменное напряжение. При положительной полуволне обратного напряжения в режиме пробоя происходит лавинообразное нарастание тока - "электрическая лавина". Вследствие инерционности процессов в полупроводниках этот ток достигает максимума с некоторым запаздыванием по отношению к вызвавшей его полуволне переменного напряжения. Под действием постоянного напряжения "лавина" продолжает двигаться и в течение следующего, отрицательного полупериода. Таким образом, импульс тока, соответствующий лавине противоположен по знаку отрицательной полуволне переменного напряжения. Следовательно, для переменного тока возникает отрицательное сопротивление. На более низких частотах инерционность слишком мала и запаздывание импульса тока также мало, поэтому отрицательное сопротивление отсутствует.Однопереходный транзистор
Однопереходный транзистор иначе называют двухбазовым диодом. Он показан на рис. 6.
Рис. 6 Структура однопереходного транзистора (двухбазового диода)
По структуре такой транзистор похож на полевой транзистор с управляющим переходом, но принцип его работы другой. Эмиттер типа p+ образует с базой n p+-n-переход, на который подается прямое напряжение (в полевом - обратное). Протекающий через базу входной ток создает внутри на нее участок от эмиттера до вывода Б1 падение напряжения Uвн, которое является обратным для эмиттерного перехода и закрывает его. Если внешнее прямое напряжение (E1+uвх) больше Uвн, то результирующее напряжение становится прямым, переход открывается и дырки из эмиттера устремляются в базу. Сопротивление базы уменьшается. При изменении входного напряжения изменяется уровень инжекции и сопротивление базы, следовательно, выходной ток. На нагрузке получается усиленное напряжение.Полупроводниковые резисторы
Варистор. Варистор - это полупроводниковый резистор, обладающий нелинейными свойствами. Иначе называется нелинейным полупроводниковым сопротивлением (НПС). Основным материалом служит карбид кремния (SiC) с каким-либо связующим веществом. Нелинейность сопротивления объясняется нагревом микроконтактов между зернами карбида кремния. Варисторы используют на постоянном и переменном токе с частотой до нескольких килогерц. Ниже вольт-амперная характеристика варистора.
Рис. 7 Вольт-амперная характеристика варистора
Терморезисторы. Представляют собой полупроводниковые резисторы, у которых сопротивление сильно зависит от температуры. Их еще зовут термосопротивлениями или термисторами. У термисторов отрицательный ТКС. Терморезисторы с положительным ТКС называют позисторами.
Терморезисторы используют во всяких датчиках и в качестве нелинейных элементов.
Тензорезисторы. Слово "тензо" означает давление, деформация. Соответственно, у таких резисторов сопротивление зависит от давления. Тензорезисторы основаны на тензорезистивном эффекте, заключающегося в зависимости сопротивления полупроводника от давления на него. Помимо кристаллических тензорезисторов могут быть поликристаллические тензорезисторы, у которых при деформации сопротивление дополнительно изменяется за счет изменения сопротивления между отдельными кристалликами.
Существуют также тензодиоды, работающие по принципу изменения вольт-амперной характеристики под действием давления. Изменение связано с тем, что при деформации изменяется высота потенциального барьера перехода. Бывают и тензотранзисторы, у которых также под действием давления изменяется вольт-амперная характеристика. В зависимости от того, к какой области приложено давление, при его изменении изменяется ток. Ну и для полного счастья не хватает тензотиристоров, у которых с увеличением давления на базовый электрод, играющий роль управляющего, возрастает ток эмиттера и за счет этого понижается напряжение включения.Фотодеталюшки
Фоторезисторы. Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется под действием излучения. Если облучения нет, то фоторезик обладает достаточно большим сопротивлением, называемым темновым. Соответствующий ток через фоторезик называют темновым током. При воздействии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезик в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивление уменьшается. Фоорезистор имеет линейную вольт-амперную характеристику и нелинейную энергитическую характеристику (зависимость тока от светового потока).
Фотодиоды. Это полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект (фотоэффект сосотоит в генерации пар носителей заряда под действием излучения). Световой поток управляет обратным током фотодиода. При воздействии света на фотодиод происходит фотоэффект и проводиомсть диода возрастает, обратный ток увеличивается. Такой режим называется фотодиодным. Если светового потока нет, то через диод протекает обычный начальный обратный ток, который называется темновым.
Интегральная чувствительность фотодиодов несколько десятков миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и максимальна при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика.
Фототранзисторы.Биполярный фототранзистор внешне от обычного отличается тем, что в его корпусе сделано "окно", через которое световой поток воздействует на область базы. Фототранзисторы обладают большей интегральной чувтствительностью, чем фотодиоды.
При воздействии светового потока на область базы в ней происходит генерация электронов и дырок, которые идут к коллекторному переходу, где происходит их разделение. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы к коллектору и увеличивают его ток, а электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, благодаря чему усиливается инжекция дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается коллекторный ток.
Еще бывают полевые фототранзисторы. Например, в фототранзисторе с каналом n-типа при облучении n-канала в нем и прилегающей к нему p-области (затвор) происходит генерация электронов и дырок. Преход между n-каналом и p-областью находится под обратным напряжением и поэтому происходит разделение носителей заряда под действием поля этого перехода. Концентрация электронов в n-канале увеличивается, его сопротивление уменьшается и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока) возрастает.
Светодиоды. Еще их называют инжекционными светодиодами, а свечение, возникающее в светодиодах, относится к явлению инжекционной электролюминесценции.
При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Ну, например, если в n-области электронов больше, чем дырок в p-области, то из n-области электроны идут в область p. Эти электроны рекомбинируют с основными носителями заряда в базе. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергитических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны (в электрон-вольтах). Если проще, то при рекомбинации электронов и дырок выделяется энергия, которая практически полностью идет на образование фотонов. Фотон, если кто не помнит, частица света. Энергия выделяющегося фотона пропорциональна длине волны: hν=hc/λ≈ΔW≈1.23λ. Следовательно, для получения видимого диапазона света, у которого λ=0,38-0,78 мкм ΔW должно быть равно 1,7 эВ. Кремний и германий для светодиодов непригодны. В основном применяется фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC. Бывают светодиоды переменного цвета свечения. У них два перехода, первый из которых имеет максимум в красной части спектра, второй - в зеленой. Цвет зависит от соотношения токов через переходы. Светодиоды являются основой более сложных приборов: линейные светодиодные шкалы, цифро-буквеннные индикаторы, матричные индикаторы и т. п.
|
|
|
