Лекции по твердотельной электронике

4.7. Работа транзистора в импульсном режиме.

4.7.1. Режим переключения

В режиме переключения транзистор работает как электронный ключ он либо заперт  и обладает высоким сопротивлением, либо включен  и его сопротивление мало. В ключевом режиме транзистор включается последовательно с нагрузкой и когда он выключен ток через нагрузку близок к нулю и все напряжение от внешнего источника прикладывается к транзистору (т. А на рис. 67). Когда транзистор включен (т. В на рис. 67), то ток через транзистор большой и приближается к предельно возможному в данной схеме Eк/Rк , где Rк - нагрузочное сопротивление в коллекторной цепи.

Когда транзистор выключен на его эмиттер либо подается отрицательное смещение, либо не подается никакого и транзистор находится в режиме отсечки. Когда транзистор включен, то на его эмиттерный переход подано прямое смещение, а коллекторный переход находится, либо под небольшим положительным смещением, либо под нулевым смещением, т.е. в режиме насыщения.

Рис. 67 Рабочие точки на нагрузочной характеристике (активная нагрузка) при работе транзистора в режиме переключения.

К достоинствам режима переключения относится то, что во включенном и выключенном состоянии мощность рассеиваемая на транзисторе может быть существенно меньше, чем мощность рассеиваемая в нагрузке и таким образом он может коммутировать мощность превосходящую предельно допустимую мощность рассевания самого транзистора (см. рис. 67) . Помимо статической в транзисторе может рассеиваться значительная динамическая мощность во время включения и выключения транзистора, причем при большой частоте коммутаций эта мощность может превосходить мощность, рассеиваемую в статическом режиме, поэтому желательно, чтобы время включения и выключения (в течение которого рассеивается динамическая мощность) было как можно меньше. На рис. 68 показаны соответствующие экспериментальным результатам диаграммы токов транзистора, при различных значениях амплитуды входных импульсов.

Рис. 67. Форма импульсов токов транзистора, при его работе в импульсном режиме

В представленных на рис. 67 диаграммах  кривые 1 соответствуют усилительному режиму для которого выполняется условие Iк = βIб, кривые 2, 3, 4 соответствуют случаям, когда во включенном состоянии транзистор находится в режим насыщения в котором для тока коллектора справедливо Iк ≤  βIб. Для характеристики глубины насыщения вводят коэффициент насыщения S = Iк/ Iкн, где Iкн = βIбн соответствует границе насыщения. Как видно из графиков, чем глубже заходит транзистор в область насыщения (чем больше S), тем меньше время включения и больше время рассасывания заряда (полочка предшествующая спаду тока) и соответственно время выключения.

4.7.2. Расчет времени включения

Для анализа переходных процессов при работе транзистора в ключевом режиме можно воспользоваться законом сохранения заряда:

                                      (4_115)

Помножим левую и правую части этого уравнения на q и проинтегрируем по объему базы. Получим, что изменение суммарного, накопленного в результате инжекции в базу заряда изменяется в результате рекомбинации этого заряда и протекающего через базу тока:

                                     (4_116)

Решением этого неоднородного уравнения первого порядка будет сумма общего решения однородного уравнения (Qp = Ae-t/τp) и частного решения неоднородного:

                        (4_117)

То, что Q = Jpτp является частным решением можно уюедиться подставив эту величину в (4_116). Для нахождения А воспользуемся тем, что до подачи входного импульса заряд в базе отсутствовал: Q(0) = 0. Тогда получим, что A= Jpτp  и соответственно:

                               (4_118)

Чтобы записать выражение для тока учтем, что Q(t) = Jкτα  β = τp/ τα, тогда используя эти соотношения из (4_118) получим:

                                  (4_119)

Используя (4_119) можем определить время tф в течение которого достигается заданный ток Jкн ~ Eк/Rк (в режиме насыщения S > 1):

                        (4_120)

Как видно из этого уравнения с ростом тока базы (при увеличении  S) для насыщенного во включенном состоянии транзистора время включения уменьшается.

4.7.3. Расчет времени рассасывания

Предположим, что транзистор работает в ключевом режиме при управляющем токе показанном на рис. 68.

Рис. 68. Диаграмма переключающего сигнала

Уравнение, описывающее накопление заряда в базе транзистора, запишется в виде:

                                                 (4_121)

Начальное значение равно заряду, накопленному в базе транзистора за время, в течение которого он находился при прямом смещении, т.е. при t = 0, Q = Jбτp.  Решением, так же как и в предыдущем случае будет сумма общего решения однородного уравнения (Qp = Ae-t/τp) и частного решения неоднородного т.е.:

                        (4_122)

Используя начальное условие определим величину неизвестной константы в (4_117) и запишем решение:                           (4_123)

Обозначим через ts время задержки спада тока после прекращения прямого имульса, это время обусловлено рассасыванием избыточного относительно равновесного заряда дырок около коллектора. В момент t = ts концентрация дырок около коллекторного перехода становится равной равновесной:       pn(w) = pn0, Uкб = UTln[pn(w)/pn0] = UTln[pn0/pn0] = 0 , при этом ток коллектора соответствует граничному Jкн (при активной нагрузке Jкн ~ Ек/Rк), соответствующее значение базового тока Jбн=Jкн/β и заряд в базе Q(ts)= Jбнτp. Подставив эти значения в (4_118) получим:

                             (4_124)

Допустим, что выключение транзистора происходит при Jб1 = 0, тогда:

,                                  (4_125)

т.е. чем глубже транзистор находится в насыщении (больше коэффициент насыщения S), тем больше время рассасывания ts, и соответственно длиннее ступенька (см. кривые 3, 4 на рис. 67).

Рис. 69. Зависимость времени рассасывания при выключении от степени насыщения

5. ТИРИСТОРЫ

Тиристоры - многослойные структуры с чередующимися электронно-дырочными областям, двухэлектродные тиристоры называют денисторами, трехэлектродные - тринисторами. Иногда тиристоры называют кремниевыми управляемыми вентилями, что подчеркивает их основное назначение в силовой электронике - управление мощностью в нагрузке. На рис. 70 приведены примеры некоторых возможных структур тиристоров и их  графические обозначения.

Рис. 70. Примеры структур тиристоров: динисторы (а, г), управляемые тиристоры (б, в, д, е). Обозначения: А - анод, К - катод, У - управляющий электрод.

Функционально тиристоры являются электронными ключевыми элементами, сопротивление которых при определенном пороговом напряжении на них изменяется с высокого (выключенное состояние) на низкое (включенное состояние).  Динистор имеет постоянный порог срабатывания, порог тринистора может

изменяться током управляющего электрода. Пример характеристик динистора  приведен на рис. 71а и тринистора на рис. 71б.

Рис. 71.  Схематичное представление вольтамперных характеристик тиристоров: ф) динистор; б) тринистор. Значения тока управляющего электрода  Iу0­ = 0, Iу1< Iу2.

К катоду тиристора прикладывается отрицательное напряжение, к аноду положительное, поэтому центральный pn переход  для запертого тиристора (т.А на рис. 71) оказывается смещенной в обратном направлении.

Рис. 72.  Энергетические диаграммы pnpn структуры теристора в выключенном состоянии (т. А) и включенном состоянии (т. В). Пунктиром обозначено положение уровней Ферми.

Соответствующие энергетические диаграммы для областей тиристора показаны на рис. 72.  Центральный, смещенный в обратном направлении переход можно рассматривать как коллектор для расположенного слева pnp транзистора и расположенного справа npn транзистора. Действительно он собирает и перебрасывает в соседнюю область подходящие к нему неосновные носители заряда (дырки со стороны n - базы и электроны со стороны p- базы).и Как видно из диаграмма рис. 72 n и p базы тиристора являются потенциальными ямами соответственно для электронов и дырок как генерируемых в их объеме, так и поступающих. через коллекторный переход.

Генерируемые в области ОПЗ коллекторного перехода электроны и дырки разделяются полем этого перехода и поступают соответственно в n и p базы (см. левую диаграмму рис. 72. Для запертого тиристора (т.А) количество поступающих в базу неосновных носителей в результате тепловой генерации  в области базы и области ОПЗ коллектора равно количеству носителей рекомбинирующих в базе и выходящих через эмиттерный переход создавая тепловой ток запертого тиристора (соответствующий т. А). При этом высота барьеров эмиттер-база для pnp и npn транзисторов близка к соответствующим значениям контактных разностей потенциалов.

При увеличении напряжения коллекторного перехода, в области ОПЗ коллектора начинается лавинное умножение неосновных носителей, что приводит к росту потоков электронов и дырок и их накопление в соответствующих базах. Появление дополнительного отрицательного заряда электронов в n базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp и инжекции дырок, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд электроны. Появление дополнительного положительного заряда дырок в p базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp транзистора и инжекции электронов, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд дырок. Инжектированные дополнительно носители через коллектор попадают в соседнюю базу, способствую дальнейшему открыванию соответствующих эмиттерных переходов и нарастанию тока. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предельно возможный в данной цепи ток, обусловленный внешней нагрузкой (если нагрузка активная, то это Imax ~ Eк/Rн). При этом тиристор переходит во  включенное состояние (т. В на рис. 71) в котором он обладает минимальным сопротивлением. При этом как pnp транзистор (в дальнейшем будем связанные с ним величины обозначать индексом "p"), так и npn транзистор  (в дальнейшем будем связанные с ним величины обозначать индексом  "n") попадают в режим насыщения.  Схематическое распределение носителей в базах тиристора для выключенного и включенного состояния показаны на рис. 73. На рисунке обозначены значения основных носителей для каждой из областей, однако следует иметь ввиду условность этих обозначений (концентрация основных носителей на несколько порядков выше, чем неосновных и в выбранном масштабе можно только отобразить факт их наличия и превосходства по концентрации).

Рис. 73. Схема распределения носителей в структуре тиристора в выключенном (т. А) и включенном состояниях (т. В).

Эквивалентная схема тиристора может быть представлена с помощью двух разнополярных транзисторов, имеющих общий коллекторный переход (рис. 74)

Рассчитаем условие переключения тиристора, приняв за начало переключения момент, в который за счет положительной обратной связи начинается нарастание тока.

Для токов электронного и дырочного токов коллекторного перехода  можно записать: Iкp = αpIэp = αpIа,  Iкn = αnIэp =αnIкат, где Iкp, Iэp, Iкn - соответственно управляемые дырочные и электронные токи эмиттера и коллектора, αp и αn коэффициенты передачи тока соответственно для pnp и npn транзисторов, Iа, Iкат - токи анода и катода (в рассматриваемом случае      Iа = Iкат = I) . Общий ток тиристора I,  будет включать как управляемые токи, так и тепловой ток коллекторного перехода Iк0:    I =  αpIа + αnIк+ Iк0 = Iк0 + (αp+ αn) I.

Откуда:

                                      (5_1)

Из этой формулы следует, что если

(αp + αn) → 1,                                            (5_2)

то ток тиристора стремится к бесконечности. Таким образом (5_2) и будет условием включения тиристора. На рис. 74 показаны зависимости коэффициентов αp, αn и αS = (αp + αn) от тока через тиристор. Поскольку ток определяется напряжением на тиристоре, аналогичная зависимость будет если использовать в качестве аргумента напряжение. При этом моменту включения тиристора будут соответствовать значения некоторого порогового тока и напряжения: Iвкл, Uвкл. Изменяя характер зависимости αp(I) или αn(I) возможно изменять значения тока и напряжения, при которых происходит переход тиристора в состояние с малым сопротивлением.

Для того, чтобы поднять напряжение включения часто искусственно занижают значение коэффициента передачи тока. Для этого можно использовать либо технологические приемы, например такие как уменьшение времени жизни носителей заряда в базе или увеличение толщины базы. Часто используют схемотехнические приемы шунтируя эмиттерный переход внешним сопротивлением.

Рис. 74. Диаграмма, поясняющая влияние зависимостей коэффициентов передачи тока от тока (напряжения) на порог включения тиристора..

Для того, чтобы снизить  порог включения достаточно ввести неосновные носители заряда в одну из баз тиристора. Осуществить это возможно изготовив дополнительный управляющий электрод к одной из баз транзистора (см. рис. 70 б, в, г, д. ).  Тогда чем больше ток управляющего электрода, тем раньше будет наступать включение (см. рис. 71 б).

Рис. 74. Эквивалентные схемы тиристора.

Чтобы выключить транзистор необходимо создать условия при которых исчезает заряд инжектированный в базы транзистора и соответственно концентрации неосновных носителей около коллекторного перехода становится меньше или равны равновесным. При этом будет иметь место выход pnp и npn транзисторов из режима насыщения и соответственно переход тиристора в состояние с высоким сопротивлением. Проще всего выключить тиристор прекратив на некоторое время инжекцию заряда через эмиттерные переходы. При питании тиристора переменным напряжением это происходит автоматически в момент, когда напряжение проходит через ноль. Существуют специальные , запираемые типы тиристоров, в которых выключению способствует вытягивание носителей из базы управляющим электродом.

Широкое распространение в цепях переменного тока находят тиристоры с симметричными характеристиками - семисторы. Семисторы могут иметь управляющий, который позволяет изменять порог включения. На рис. 75 показаны примеры различных конструкций семисторов.  

Рис. 75. Конструкции семисторов: а) неуправляемый, б) управляемый отрицательным импульсом, в) управляемый положительным импульсом.

Как видно из рис. 75, по существу, семистор представляет пятислойную структуру, в которой эмиттерные переходы зашунтированы металлическим слоем. В зависимости от полярности включается тот переход, который работает в прямом направлении.

Страницы: 1, 2