Сэс, затвор - исток Св , подложка - исток Спи и подложка - сток Спс представляют собой барьерные емкости обратно смещенных р-п переходов - затвор - канал и подложка - 1{анал. Для МДП-транзисторов аналогичные емкости Сзи и Сзс, Сси определяются емкостями распределенной структуры полупроводника и паразитными междуэлектродными емкостями. Емкости Сди,

Рис. 15-18. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора.

Спс представляют собой барьерные емкости соответствующих р-п переходов. В тех случаях, когда полевые транзисторы выпускаются в дискретном исполнении, у МДП-транзистора обычно подложку соединяют с истоком, а у транзистора с управляющим переходом - с затвором, тогда эквивалентная схема замещения упрощается и выглядит, как показано на рис. 15-18.

Эквивалентные схемы замещения рис. 15-17 и 15-18 справедливы в широком диапазоне частот (до 50-100 МГц). В режиме большого сигнала для расчетов значений напряжений и токов в транзисторе в принципе можно использовать эквивалентную схему, приведенную на рис. 15-18, однако при этом надо учитывать нелинейную зависимость параметров схемы замещения от напряжений на электродах прибора. В большинстве случаев оказывается достаточным учесть только нелинейную зависимость статических параметров транзистора от режима работы. Междуэлектродные емкости незначительно зависят от напряжений на зажимах прибора, и при расчетах можно пользоваться их усредненными значениями. В режиме малого сигнала транзистор можно рассматривать как линейный четырехполюсник и характеризовать системой дифференциальных параметров, рассмотренной ранее.

15-3. ТИРИСТОРЫ

Тиристоры относятся к классу так называемых переключающих полупроводниковых приборов. Статическая вольт-амперная характеристика этих приборов имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который обусловлен сильной внутренней положительной обратной связью, возникающей при прохождении тока через структуру р-п-р-п с тремя р-п переходами. Вследствие этого тиристоры в зависимости от приложенного к ним напряжения и сопротивления внешней цепи могут 31*

находиться в двух устойчивых электрических состояниях: открытом (с большой проводимостью) и закрытом (с малой проводимостью) .

Диодные тиристоры (динисторы) имеют два вывода от крайних областей структуры.

Схема устройства и включения диодного тиристора показана на рис. 15-19, а.

Рис. 15-19. Структура и схема включения (а), вольт-амперная характеристика (б) и двухтран-зисторная модель (с) диодного тиристора (дини-стора).

Источник питания смещает переходы П\ и Пз в прямом направлении, а - в обратном. Когда динистор находится в закрытом состоянии, практически все приложенное к нему напряжение (оно называется прямым напряжением С/р) падает на переходе Яг.

Средние области 2 и 3 структуры имеют ширину, соизмеримую с диффузионными длинами неосновных носителей заряда. Поэтому дырки и электроны, инжектируемые переходами Fli и Яа, вследствие дк-ф-фузии могут достигать центрального перехода Яг. Ток /п2 перехода Яг является сум. мой трех токов:

im. = /обр + /п1 1 + 1т№ 2.

где /обр - обратный ток перехода Яг; /щй! - ток дырок, инжектированных пере-

ходом Я] и достигших перехода Яг; /пзаз- ток электронов, инжектированных переходом Яз и достигших перехода Пг.

Так как переходы включены последовательно, то токи переходов, а также ток / во внешней цепи равны между собой, т. е.

откуда следует, что

/рбр /рбр

1 - Ci - Й2

где a=ai+ai.

Через й и 2 обозначены соответственно доли дырок и электронов, инжектированных переходами Пх я Пз достигших перехода Пг. Обычно при анализе четырех-слойной структуры ее условно представляют составленной из двух транзисторных структур: р-п-р и п-р-п (рис. 15-19, е), тогда 1 и fi2 называются коэффициентами передачи тока в схеме ОБ составляюш,их транзисторных структур.

В неявном виде последнее соотношение представляет собой выражение статической вольт-амперной характеристики динистора, так как /оор, 1 и аг зависят от напряжения на переходе Яг.

Зависимость /обр, Ci и Cz от напряжения, обусловлена главным образом умножением носителей заряда в электрическом поле перехода Пг, когда напряжение на нем Иг близко к напряжению лавинного пробоя /л- Коэффициент умножения М при этом равен:

Для электронов и дырок в кремнии

Коэффициенты й и Оа меньше единицы, зависят от токов переходов Hi и Яз.

Вольт-амперная характеристика динистора изображена на рис. 15-19,6. Спецификой ее является наличие участка АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Участок OA характеристики соответствует закрытому состоянию прибора. Ток прибора равен току утечки /ут, значение которого может составлять от сотых долей микроампера до нескольких микроампер. Дифференциальное сопротивление структуры на этом участке положительно и обычно достигает сотен мегаом. При повышении температуры дифференциальное сопротивление уменьшается. Когда напряжение достигает напряжения переключения Спер (оно близко к напряжению лавинного или туннельного пробоя перехода Яг), ток динистора резко возрастает. Дифференциальное сопротивление структуры становится равным нулю.

При дальнейшем увеличении тока (участок АБ) положительным значениям приращений тока dl соответствуют отрицательные значения приращений dU. Дифференциальное сопротивление структуры на

этом участке характеристики отрицательно.

Процесс возникновения отрицательного сопротивления в тиристоре происходит под влиянием положительной обратной связи в структуре, обеспечиваемой усилением составляющих транзисторов. Характеристика на участке с отрицательным наклоном должна сниматься с помощью источника постоянного напряжения с достаточно большим внутренним сопротивлением. Если же сопротивление генератора недостаточно велико, происходит скачок тока и рабочая тожа быстро перемещается на участок с положительным наклоном, соответствующий проводящему состоянию прибора.

При некотором значении тока, равном току удержания /уд, напряжение на переходе Пг становится равным нулю.

Дифференциальное сопротивление динистора вблизи тока, равного /у , снова обращается в нуль. Значение /уд определяет минимальный ток, при котором еще поддерживается проводящее состояние динистора. Выключение динистора осуществляется путем уменьшения тока до значения ниже /уд. При токе, большем /уд, напряжение на переходе Пг становится прямым и вычитается из суммы напряжений, падающих на переходах TIi и Яз. Участок БВ характеристики соответствует открытому состоянию динистора. Падение напряжения на нем называется остаточным напряжением ост .и составляет несколько десятых долей вольта.

В зависимости от конструкции . сопротивление лежит в диапазоне от 0,001 Ом (для мощных приборов) до нескольких Ом (для маломощных). На участке БВ переход Пг, смещенный в прямом направлении, инжектирует электроны и дырки навстречу потокам из переходов Hi и Яз. Это соответствует режиму насыщения составляющих транзисторных структур.

Если к динистору приложено обратное напряжение t/oop, переход Пг открыт, а Hi и Яз закрыты. В этом состоянии в приборе имеет место обратный ток /обр- При увеличении fo6p происходит пробой переходов Hi и Яз, и ток в динисторе резко возрастает (участок ГД характеристики). Максимальное обратное напряжение t/обртаа; определяется типом переходов П\ а Пз и конструкцией прибора.

Триодные тиристоры кроме выводов от крайних областей (анода и катода) имеют также третий, управляющий вывод от одной из средних (базовых) областей, как показано на рис. 15-20, а.

Ток перехода Яз определяется управляющим током /упр.

Общий вид вольт-амперной характеристики триодного тиристора показан на рис. 15-20,6.

Наличие управляющего тока приводит к тому, что напряжение включения тиристора уменьшается, так как условие включения его выполняется при более низком напряжении. При управляющем токе /упр== =/спр вольт-амперная характеристика спрямляется и тиристор переходит в прово-

дящее состояние. В зависимости от типа тиристора ток спрямления /спр может составлять ст нескольких микроампер до нескольких десятков миллиампер (для мощных приборов).

Быстродействие тиристоров принято характеризовать временем их включения /вкл и временем выключения /выкл. За время вкл принимается интервал времени от начала действия управляющего импульса до момента времени, когда анодный ток нарастает до уровня 0,9 установившейся вели-

Рис. 15-20. Структура (а) и вольт-амперная (6) характеристика триодного тиристора.

чины. Время включения главным образом зависит от инерционности транзисторной составляющей структуры с более широкой базой (обычно р-п-р) и несколько уменьшается при увеличении амплитуды тока управляющего импульса. Для маломощных тиристоров время включения <вкл составляет 1-10 мкс, а для тиристоров средней мощности и мощных - несколько десятков микросекунд.

За время выключения <выкл принимается обычно минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (или он должен находиться в обесточенном состоянии), после чего тиристор запирается и к нему вновь может быть приложено прямое напряжение. Время выключения определяется процессом рекомбинации носителей заряда (дырок) в базе р-п-р транзистора.

Значение <выкл составляет для маломощных тиристоров 10-30 мкс, для мощных достигает 100-200 мкс. Чем меньше Твыкл, тем ниже напряжение 1/вкл тиристора. Отношение вкл/выкл обычно равно 140-330 В/мкс. Выключение триодных тиристоров, так же как и динисторов, как правило, производится за счет уменьшения анодного тока до значения ниже /уд за время не меньше <выкл. Некоторые тиристоры (называемые запираемыми тиристорами) могут выключаться при подаче запирающего импульса тока в базу. Амплитуда запирающего импульса значительно больше, чем /спр. Например, для выключения анодного тока /пр=2 А в базу типичного запираемого тиристора средней мощности необходимо подать импульс тока 360 мА длительностью 50 мкс при напряжении 36 В (/спр и fcnp для этого прибора равны 100 мА и 3 В соответственно).

Обратная характеристика триодного тиристора такая же, как и у динистора, и определяется главным образом свойствами перехода Яь так как переход Яа, как правило, зашунтирован встроенным в структуру резистором. Для обратной.ветви.задаются Uoepmax я обратный ток утечки /ут.овр-

Тиристоры средней и большой мощности чаще всего изготовляются методом диффузии или сплавления-диффузии.

На рис. 15-21 показана вольт-амперная характеристика симметричного тиристора (триака).

В табл. 15-3 приводятся справочные данные по силовым триодным тиристорам.

Выпускаются также симметричные тиристоры (триаки). Последние имеют в основе тиристорную структуру с двумя равно- нравными главными выводами и выводом от управляющего электрода, подача управляющего сигнала на который переводит симметричный тиристор в открытое состояние для любого направления тока в зависимости от приложенного напряжения.

Выпускаются симметричные тиристоры (триаки) следующих типов: ТС161-100, Т14-100, ТС161-125, Т14-125, ТС161-160, Т14-160, ТС171-200, ТС14-200, ТС171-250, ТС14-250 с действующим током в открытом состоянии Itav, а, входящим в обозначение типа. Тиристоры имеют ударные непов-торяюцдаеся токи в открытом состоянии Itsm 1, 1,2; 1,6; 1,8; 2,0 кА соответственно. Повторяющийся импульсный обратный ток Irrm и равный ему повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии 1гвм составляют 15 мА. Все тиристоры могут иметь повторяющееся импульсное обратное

Рис. 15-21. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора.

напряжение Urbm и равное ему повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии Vdbm 200-1200 В. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (dlD/d)crit=10-5-1000 В/мкс. Критическая скорость нарастания тока в

открытом состоянии {diDjdt)erit = 5-

50 А/мкс. Отпирающее напряжение на управляющем электроде 5 В. Температура структуры Г; = 110°С. Тепловое сопротивление . структура - корпус /?№, с=0,2- -г0,15°С/Вт. Допустимая частота 2000 Гв.