ТИРИСТОРЫ И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ КЛЮЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ

1. ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРЫ

Наряду с приборами, дающими возможность осуществлять линейное усиление сигналов, в электронике, в вычислительной технике и, особенно в автоматике широкое применение находят приборы с падающим участком вольтамперной характеристики. Эти приборы чаще всего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротивлением.

10—15 лет назад в схемах электронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонаполненный прибор — тиратрон. При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящим и замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостного биполярного транзистора появилась в самом начале 50-х годов и четырехслойная структура, получившая вначале название
«хук-транзистор», или транзистор с ловушкой в коллекторе.

Несколько позже было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и транзистор).

В ходе развития полупроводниковой техники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характеристиками, хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определение тиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.
Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терминологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, называется триод- тиристором. Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.

Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. считать правую n-область коллектором, и подать на нее отрицательное по отношению к базе (средняя n- область) смещение, а эмиттер (левая р-область) временно оставить разомкнутым, то подключенную к источнику питания

[pic]

рис.1 Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-п-р-п с двойным переходом (ловушкой) в коллекторе.

часть транзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику питания. База этого условного транзистора к схеме не подключена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).
Так как в данном случае мы имеем дело не с транзистором р-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что коллектором этого условного транзистора должен быть электрод, к которому подводится положительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому подводится отрицательное напряжение. Другими словами, полярность приложенного к условному транзистору напряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеет смещение в прямом направлении.

Обозначая двумя штрихами величины, относящиеся к этому условному транзистору, запишем

I’’к= I’’э =(B’'0+1)* I’’к0

Отметим, что для структуры р-п-р-п в целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенном эмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматриваемой нами структуре, будем записывать без индексов. Таким образом,

Iк0 = I’’к =(B’'0+1)* I’’к0

т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-п в (B’'0+1) раз превосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р- п.

Так как выходным электродом условного транзистора п-р-п является его эмиттер, а коллектор подключен к заземленной точке, то можно считать, что условный транзистор включен по схеме с общим коллектором. Входным электродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р- область.

Для транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно

? I’’э ? I’’э 1

1
? I’’б ?I’’э- ?I’’к 1- ?I’’к/?I’’э 1 -
?’’0

Следовательно, изменение тока базы условного транзистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1 - ?’’0 ) раз большему.
Если подать смещение в прямом направлении на левый р-п переход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, включенный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условного транзистора I’э будет, очевидно, равен току эмиттера Iэ структуры р-п-р-п.
Таким образом, получаем, что структура р-п-р-п представляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостных транзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором п-р-п, включенным по схеме с общим коллектором. Рис а, б

Так как области n1 и n2 практически представляют собой одну и ту же n- область, связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p1 и р2 соединенными проводником.
Усиление по току структуры в целом определяется соотношением

?0 ’?’ 0/[1-?’’ 0]

Таким образом, при условии, что коэффициент усиления по току каждого из условных транзисторов ( ?’0, и ?’’0) меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры

[pic][pic] а) б)