Transcript Режим прямого запирания
Slide 1
ПОДГОТОВИЛИ СТУДЕНТЫ 3 КУРСА
Крупянский Юрий
и Товпенец Никита
Slide 2
Slide 3
Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на
основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной
структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом
направлении двумя устойчивыми состояниями —
состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и
состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). В
обратном направлении тиристор обладает только
запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый
диод. Тиристоры подразделяются на тринисторы,
динисторы и симисторы. Перевод тиристора из закрытого
состояния в открытое в электрической цепи осуществляется
внешним воздействием на прибор: либо воздействие
напряжением (током), либо светом (фототиристор).
Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную
характеристику (ВАХ).
Slide 4
Основная схема тиристорной
структуры представляет собой
четырёхполюсный p-n-p-n
прибор, содержащий три
последовательно соединённых p-n
перехода J1, J2, J3. Контакт к
внешнему p-слою называется
анодом, к внешнему n-слою —
катодом. В общем случае p-n-p-n
прибор может иметь два
управляющих электрода (базы),
присоединённых к внутренним
слоям. Прибор без управляющих
электродов называется диодным
тиристором (или динистором).
Прибор с одним управляющим
электродом называют триодным
тиристором или тринистором
(или просто тиристором).
Slide 5
ВАХ тиристора (с управляющими электродами
или без них) приведена на рис 2. Она имеет
несколько участков:
Между точками 0 и 1 находится участок,
соответствующий высокому сопротивлению
прибора — прямое запирание.
В точке 1 происходит включение тиристора.
Между точками 1 и 2 находится участок с
отрицательным дифференциальным
сопротивлением.
Участок между точками 2 и 3 соответствует
открытому состоянию (прямой проводимости).
В точке 2 через прибор протекает минимальный
удерживающий ток Ih.
Участок между 0 и 4 описывает режим обратного
запирания прибора.
Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.
Slide 6
В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение,
отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном
направлении, а переход J2 смещён в прямом . В этом случае большая часть
приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от
степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В
зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением
(толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом
(обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание
переходов J1 и J2).
Slide 7
Режим прямого запирания
При прямом запирании напряжение на аноде положительно по
отношению к катоду и обратно смещён только переход J2(коллекторный).
Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть
приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в
области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные
носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают
ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении
прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что
соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать
запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По
мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения,
падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что
вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление
инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении
напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется
напряжением переключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает
лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой
проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый
напряжением источника и сопротивлением внешней цепи
Slide 8
В области малых токов основная причина
зависимости α от тока I связана с
рекомбинацией в эмиттерном переходе. При
наличии рекомбинационных центров в области
пространственного
заряда
эмиттерного
перехода прямой ток такого перехода в области
малых прямых смещений – рекомбинационный
Jрек. Зависимость этого тока от напряжения
экспоненциальная, но показатель экспоненты в
два раза меньше, чем для диффузионного тока
JpD.
По мере роста прямого напряжения на p-n
переходе диффузионная компонента тока JpD
начинает
превалировать
над
рекомбинационной. В терминах эффективности Р и с. 8. Т и п ич н ая зав иси м ость к оэф ф и ц и ен та п ер ед ач и α от ток а эм и ттер а I э
эмиттера
это эквивалентно возрастанию
п р и н ал и ч и и си л ь н ой р ек ом би н ац и и в О П З p-n пер еход ов
эффективности эмиттера, а следовательно, и
увеличению коэффициента передач α = γ·χ. На
рисунке 6 показана зонная диаграмма
эмиттерного перехода, которая иллюстрирует
конкуренцию двух токов – рекомбинационного
и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке
8 – типичная зависимость коэффициента
передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии
рекомбинационных центров в ОПЗ p-n
перехода.
Slide 9
Другой физический механизм, приводящий к накоплению
объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавинным
умножением в коллекторном переходе. При больших значениях
обратного напряжения на p-n переходе величина электрического
поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к
значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В
этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка
набирают энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны
полупроводника qλE > Еg и вызывает генерацию новой
электронно-дырочной пары. Это явление аналогично лавинному
пробою в стабилитронах.
Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной
накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной
точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту
коэффициента передачи и величине коллекторного тока.
Slide 10
Тиристор с двумя
выводами работает
как двухполюсник –
динистор
Тиристор с
управляющим
электродом тринистор
p1
n1
p2
n2
Slide 11
Симиcтop (от симметричный
тиристор) полупроводниковый прибор,
используемый для управления
цепями с переменным
напряжением. В электронике он
рассматривается как
управляемый выключатель. В
закрытом состоянии
проводимость между
управляемыми электродами
отсутствует. При подаче
управляющего тока на
управляющий электрод
симистора, возникает
проводимость между
управляемыми электродами.
Причём симистор в открытом
состоянии проводит ток в обоих
направлениях
Slide 12
Электронные ключи
Управляемые выпрямители
Преобразователи (инверторы)
Регуляторы мощности (триммеры)
ПОДГОТОВИЛИ СТУДЕНТЫ 3 КУРСА
Крупянский Юрий
и Товпенец Никита
Slide 2
Slide 3
Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на
основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной
структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом
направлении двумя устойчивыми состояниями —
состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и
состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). В
обратном направлении тиристор обладает только
запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый
диод. Тиристоры подразделяются на тринисторы,
динисторы и симисторы. Перевод тиристора из закрытого
состояния в открытое в электрической цепи осуществляется
внешним воздействием на прибор: либо воздействие
напряжением (током), либо светом (фототиристор).
Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную
характеристику (ВАХ).
Slide 4
Основная схема тиристорной
структуры представляет собой
четырёхполюсный p-n-p-n
прибор, содержащий три
последовательно соединённых p-n
перехода J1, J2, J3. Контакт к
внешнему p-слою называется
анодом, к внешнему n-слою —
катодом. В общем случае p-n-p-n
прибор может иметь два
управляющих электрода (базы),
присоединённых к внутренним
слоям. Прибор без управляющих
электродов называется диодным
тиристором (или динистором).
Прибор с одним управляющим
электродом называют триодным
тиристором или тринистором
(или просто тиристором).
Slide 5
ВАХ тиристора (с управляющими электродами
или без них) приведена на рис 2. Она имеет
несколько участков:
Между точками 0 и 1 находится участок,
соответствующий высокому сопротивлению
прибора — прямое запирание.
В точке 1 происходит включение тиристора.
Между точками 1 и 2 находится участок с
отрицательным дифференциальным
сопротивлением.
Участок между точками 2 и 3 соответствует
открытому состоянию (прямой проводимости).
В точке 2 через прибор протекает минимальный
удерживающий ток Ih.
Участок между 0 и 4 описывает режим обратного
запирания прибора.
Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.
Slide 6
В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение,
отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном
направлении, а переход J2 смещён в прямом . В этом случае большая часть
приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от
степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В
зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением
(толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом
(обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание
переходов J1 и J2).
Slide 7
Режим прямого запирания
При прямом запирании напряжение на аноде положительно по
отношению к катоду и обратно смещён только переход J2(коллекторный).
Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть
приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в
области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные
носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают
ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении
прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что
соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать
запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По
мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения,
падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что
вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление
инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении
напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется
напряжением переключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает
лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой
проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый
напряжением источника и сопротивлением внешней цепи
Slide 8
В области малых токов основная причина
зависимости α от тока I связана с
рекомбинацией в эмиттерном переходе. При
наличии рекомбинационных центров в области
пространственного
заряда
эмиттерного
перехода прямой ток такого перехода в области
малых прямых смещений – рекомбинационный
Jрек. Зависимость этого тока от напряжения
экспоненциальная, но показатель экспоненты в
два раза меньше, чем для диффузионного тока
JpD.
По мере роста прямого напряжения на p-n
переходе диффузионная компонента тока JpD
начинает
превалировать
над
рекомбинационной. В терминах эффективности Р и с. 8. Т и п ич н ая зав иси м ость к оэф ф и ц и ен та п ер ед ач и α от ток а эм и ттер а I э
эмиттера
это эквивалентно возрастанию
п р и н ал и ч и и си л ь н ой р ек ом би н ац и и в О П З p-n пер еход ов
эффективности эмиттера, а следовательно, и
увеличению коэффициента передач α = γ·χ. На
рисунке 6 показана зонная диаграмма
эмиттерного перехода, которая иллюстрирует
конкуренцию двух токов – рекомбинационного
и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке
8 – типичная зависимость коэффициента
передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии
рекомбинационных центров в ОПЗ p-n
перехода.
Slide 9
Другой физический механизм, приводящий к накоплению
объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавинным
умножением в коллекторном переходе. При больших значениях
обратного напряжения на p-n переходе величина электрического
поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к
значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В
этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка
набирают энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны
полупроводника qλE > Еg и вызывает генерацию новой
электронно-дырочной пары. Это явление аналогично лавинному
пробою в стабилитронах.
Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной
накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной
точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту
коэффициента передачи и величине коллекторного тока.
Slide 10
Тиристор с двумя
выводами работает
как двухполюсник –
динистор
Тиристор с
управляющим
электродом тринистор
p1
n1
p2
n2
Slide 11
Симиcтop (от симметричный
тиристор) полупроводниковый прибор,
используемый для управления
цепями с переменным
напряжением. В электронике он
рассматривается как
управляемый выключатель. В
закрытом состоянии
проводимость между
управляемыми электродами
отсутствует. При подаче
управляющего тока на
управляющий электрод
симистора, возникает
проводимость между
управляемыми электродами.
Причём симистор в открытом
состоянии проводит ток в обоих
направлениях
Slide 12
Электронные ключи
Управляемые выпрямители
Преобразователи (инверторы)
Регуляторы мощности (триммеры)