3. схема включения и вольтамперная характеристика динистора
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «Пермский государственный университет» Кафедра экспериментальной физики ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРОВ Методические указания к выполнению лабораторной работы Пермь 2006 2 Составители: доц. ассист. К.А. Сеник УДК 621.38 А.С. Ажеганов, доц. И.Л. Вольхин, Изучение статических характеристик тиристоров: метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С. Ажеганов, И.Л. Вольхин, К.А. Сеник; Перм. ун-т. – Пермь, 2006. – 24 с. В пособии рассмотрен принцип работы динисторов и тиристоров, приведены их статические характеристики, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Издание соответствует программе курса «Твердотельная электроника». Предназначено для студентов физического факультета специальности «Радиофизика и электроника». Ил. 15. Библиогр. 6 назв. Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета в рамках национального образовательного проекта 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Лабораторный практикум по твердотельной электронике предназначен для закрепления теоретических знаний, полученных при изучении курсов «Физика атомов и атомных явлений», «Физика твердого тела» и «Твердотельная электроника». Выполнение лабораторных работ способствует более глубокому изучению физических явлений в полупроводниковых материалах и их использованию в современных приборах микроэлектроники, ознакомлению с принципами построения установок для проведения экспериментальных исследований и приобретению практических навыков экспериментирования. Практикум направлен на развитие самостоятельной работы студентов. В методических указаниях к лабораторной работе даны основные теоретические сведения об изучаемых явлениях и список контрольных вопросов, которые ориентируют студента на самостоятельную работу с рекомендуемой литературой до прочтения соответствующих разделов лекционного курса. В методических указаниях к лабораторной работе даны только основные схемы экспериментальных установок. Сборку установки, задачи выбора измерительных приборов, определение диапазона измерений предлагается решить студенту самостоятельно. Задания лабораторной работы носят исследовательский характер и дают возможность студенту сделать самостоятельные выводы, сопоставив полученные результаты с данными, содержащимися в справочной литературе. ВВЕДЕНИЕ Одним из важнейших направлений современной радиоэлектроники является развитие средств автоматики, основу которых составляют ключевые схемы с двумя устойчивыми или квазиустойчивыми состояниями (триггеры, мультивибраторы, токовые переключатели и т. д.). Такие схемы требуют наличия не менее двух активных элементов (транзисторов) и относительно большого числа пассивных элементов. Использование полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением приводит к значительному упрощению этих схем. Такими полупроводниковыми приборами являются четырехслойные диоды типа p-n-p-n. Целью лабораторной работы «Исследование статических характеристик тиристоров» является ознакомление с основными 4 характеристиками и принципом действия неуправляемых и управляемых переключателей тока – динисторов и тринисторов. В задачи выполнения лабораторной работы входит: 1) исследование вольтамперной характеристики и определение параметров динистора; 2) получение семейства статических характеристик и определение параметров тринистора. Выполнение лабораторной работы начинается с изучения физических явлений в четырехслойных полупроводниковых структурах. Краткие теоретические сведения и основные соотношения, необходимые для обработки экспериментальных данных, содержатся в разделах 1–6 «Методических указаний». Подробное изложение вопросов теории и выводы используемых соотношений даются на лекциях и имеются в рекомендуемой литературе. При выполнении практической части работы необходимо ознакомиться с устройством экспериментальной установки и методикой проведения эксперимента. Снять вольтамперную характеристику динистора и семейство вольтамперных характеристик тринистора при различных токах базы. По полученным характеристикам определить основные параметры приборов и провести сравнение полученных параметров с их номинальными значениями. При подготовке к проведению лабораторной работы и защите отчета следует ознакомиться с рекомендуемой литературой, списком вопросов для самоконтроля и требованиями к оформлению отчета. Отчет о выполненной лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально на текущем или следующем занятии. Отчет должен содержать: 1) Краткие теоретические сведения о физических процессах в четырехслойных полупроводниковых структурах. Обязательно должны быть приведены соотношения, используемые при расчетах, с описанием всех входящих в них величин. 2) Основные параметры и схему расположения выводов исследуемых тиристоров (взятые из справочной литературы). 3) Полученные экспериментальные данные (в виде таблиц и графиков). 4) Результаты проведенных расчетов. Сравнение полученных параметров тиристоров с их номинальными значениями. 5 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ ДИОДЫ ТИПА p-n-p-n Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Название тиристор произошло от термина тиратрон (газоразрядный прибор, широко использовавшийся в схемах автоматики и имеющий аналогичную вольтамперную характеристику) и термина транзистор. Тиристор, имеющий два вывода, называют диодным тиристором или динистором, триодный тиристор или тринистор имеет дополнительно третий управляющий электрод. Изготавливаются тиристоры из кремния. В монокристалле кремния создаются четыре слоя с перемежающейся проводимостью p-n-p-n (рис. 1). Тиристоры, выпускаемые на рабочее напряжение от десятков до сотен вольт и на токи от десятков К УЭ миллиампер до нескольких n2 ампер, относятся к группе маломощных приборов. p2 Тиристоры, получившие n1 название управляемые вентили, с рабочим напряжением более 1000 p1 В и током свыше 100 А относятся к группе мощных приборов. Маломощные тиристоры А применяются главным образом в релейных системах и Рис. 1. Структура тиристора маломощных коммутационных устройствах, а приборы, пропускающие большую мощность – в устройствах коммутации и управления промышленными и транспортными электроустановками. 2. ЗОННАЯ ДИАГРАММА ДИОДНОГО ТИРИСТОРА Структурная схема диодного тиристора приведена на рис. 2,а. Примерные значения концентраций носителей в четырех его слоях: p1 = 5х1017 см–3, n1 = 1015 см–3, p2 = 1017 см–3, n2 = 1019 см–3. Слои разделены тремя p-n переходами П1, П2 и П3. Слой p1 выполняет в динисторе функции анода А, а слой n2 – функции катода К. Они создаются путем диффузии в исходный монокристалл кремния n-проводимости (имеющий толщину порядка 250 мкм) сначала акцепторной примеси (алюминий, бор), образующей слои p1 и p2 6 (толщиной порядка 50 мкм), а затем донорной примеси (фосфор), образующей наружный слой n2 (толщиной порядка 10 мкм). Остаточная толщина слоя n1 исходного монокристалла равна примерно 150 мкм. При подаче на анод положительного напряжения крайние p-nпереходы (П1 и П3) смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний p-n-переход (П2) смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (p1 и n2 – эмиттеры) и две базовые области (n1 и p2 – базы). Зонная диаграмма динистора в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2,б. На рисунке показаны уровни энергии: Wc – дна зоны проводимости, WF – уровень Ферми и Wv – верха валентной зоны. Стрелками показаны направления электрических полей Eэ1, Eк, и Eэ2 в переходах П1, П2 и П3. Условно показаны концентрации электронов и дырок во всех четырех областях динистора. В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: и электронные и дырочные компоненты тока через каждый из трех p-n-переходов равны нулю и общий ток также равен нулю. Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе при подаче на него прямого напряжения, т. е. при положительном потенциале на аноде (рис. 2,в). В этом случае через динистор текут небольшие токи, на переходах возникают падения напряжения и создаются электрические поля Eпэ1, Eпк, и Eпэ2. Крайние эмиттерные переходы П1 и П3 открываются, а коллекторный переход П2 закрывается. Большая часть внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении. Поэтому первый участок ОА прямой ветви ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода (рис. 3). С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах (рис. 2,в). Электроны, инжектированные из n2-эмиттера в p2-базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в n1-базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n1-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера левого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из p1эмиттера в n1-базу. Инжектированные дырки диффундируют к 7 коллекторному переходу, втягиваются полем 8 А П1 э1 p1 б1 n1 П3 П2 б2 p2 э2 n2 К – + Eэ1 Eэ2 Eк а) Wc WF Wv б) Eпэ Eэ1 Eпк Eк Eотк Eпэ р 1 Eэ2 2 Wc WF Wv Uп в) + – Еп Wc г) WF Wv Uп + – Рис. 2. Структура (a) и зонные диаграммы диодного тиристора в состоянии: б) термодинамического равновесия; в) закрытом состоянии; г) открытом состоянии 9 коллекторного перехода и попадают в p2-базу. M Дальнейшему их H продвижению по структуре тиристора G препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного B перехода. Следовательно, Iвыкл в p2-базе происходит A накопление избыточного F N положительного заряда, что обусловливает 0 Uвыкл Е Uвкл Ua увеличение инжекции электронов из n2-эмиттера. Рис. 3. Вольтамперная Таким образом, в характеристика динистора структуре тиристора существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход. Накопление неравновесных носителей в базовых областях создает дополнительную разность потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении (на рис. 2,в поле Eоткр направлено навстречу полям Eк и Eпк). Поэтому с увеличением тока через тиристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Зонная диаграмма динистора в открытом состоянии приведена на рис. 2, г. Здесь все три p-n-перехода открыты, внешнее напряжение падает в основном на высокоомных базовых областях n1 и p2, в которых сосредоточено поле Еп, а уровни энергии Wc, WF и Wv наклонены, и через динистор текут большие сквозные токи. I C 10 Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения А (рис. 3). Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал. Открытое состояние тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви В–С. Участок А–В является переходным и соответствует неустойчивому состоянию тиристора. В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах n1 и p2, необходимый для смещения коллекторного перехода П2 в прямом направлении (рис. 2,г). Если же ток тиристора уменьшить до некоторого значения, меньшего тока выключения Iвыкл, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшается количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на выпрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние. 3. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ И ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИНИСТОРА На рис. 4 показано подключение динистора VD к источнику постоянного напряжения Е через нагрузочное сопротивление R. Включение динистора (перевод в открытое состояние) и выключение (перевод в закрытое состояние) достигается путем +E изменения величины или полярности напряжения питания. R Прямая ветвь вольтамперной характеристики (Uа > 0), показанная на рис. 3, имеет три участка: I 1. участок ОА, для которого характерно наличие малых токов при большом прямом напряжении; 2. участок АВ отрицательного Ua дифференциального сопротивления dUa /dI < 0; VD Рис.4. Схема включения динистора 11 3. участок ВС, аналогичный прямой ветви вольтамперной характеристики кремниевого диода. При увеличении напряжения питания Е от 0 до Uвкл ток в приборе очень мал (точка пересечения F нагрузочной прямой с линией ОА вольтамперной характеристики). В момент, когда рабочая точка F достигает точки А на вольтамперной характеристике, ток в приборе быстро возрастает. Динистор переходит в открытое состояние. Рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в положение Н. Падение напряжения на динисторе мало, и практически все напряжение питания приложено к нагрузочному сопротивлению UR E. Теперь при уменьшении E рабочая точка G будет перемещаться по ветви ВС вольтамперной характеристики. Выключение динистора произойдет, если напряжение питания уменьшится практически до нуля E 0 или сменит знак E < 0. Мощность, рассеиваемая динистором в открытом и закрытом состояниях, является малой, так что прибор аналогичен переключающему устройству, срабатывающему, когда напряжение на нем достигает определенной величины Uвкл. Обратная ветвь вольтамперной характеристики динистора (рис. 3) аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики кремниевого выпрямительного диода. 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИНИСТОРЕ Структуру p-n-p-n можно представить в виде двух соединенных транзисторов p-n-p и n-p-n типов (рис. 5,а и б) с коэффициентами э1 p1 А + а) П1 П2 + – + – б1 n1 n1 к2 I=Iэ1 к1 p2 p2 б2 VT2 VT1 n2 э2 + – + – П2 Iэ1+Iк1 П3 К – Iэ2+Iк2 I=Iэ2 б) Рис. 5. Представление динистора в виде соединения двух транзисторов передачи токов p и n. При таком сочленении транзисторов средний слой n1 выполняет одновременно роль базы первого транзистора и роль коллектора второго транзистора, а средний слой p2 выполняет роль базы второго транзистора и одновременно роль коллектора 12 первого транзистора. Переходы П1 и П3 являются эмиттерными соответственно у первого и второго транзисторов. Центральный переход П2 является общим коллекторным переходом у обоих транзисторов. При приложении к динистору внешнего напряжения указанной на рис. 4 полярности, высота потенциального барьера среднего перехода П2 резко возрастает, а высота потенциальных бартеров левого П1 и правого П3 переходов несколько снижается. Прямое смещение эмиттерного перехода П1 приводит к инжекции дырок в базу n1 (рис. 6), создающих эмиттерный ток Iэр. + П1 П2 + – + – – Iэpp Iэp Iкn I А П3 + – I Iэnn n1 Iкp К Iэn p2 n2 Рис. 6. Схема движения носителей заряда и составляющие тока в слоях динистора Диффундируя через слой n1, дырки частично рекомбинируют с электронами. Оставшаяся часть дырочного потока экстрагируется через коллекторный переход П2 в базу р2, образуя дырочную составляющую тока коллектора Iэрр. Повышение концентрации дырок в базе р2 приводит к понижению высоты потенциального барьера П3 и инжекции электронов из эмиттера n2 в базу р2, создающих эмиттерный ток Iэn. Электроны диффундируют через базу р2 и экстрагируются через коллекторный переход П2 в базу n1, образуя электронную составляющую тока коллектора Iэnn. Часть электронов, инжектированных эмиттером n2, рекомбинирует в базе р2. Условие электрической нейтральности требует, чтобы число дырок, вошедших в слой р2, было равно числу электронов, рекомбинировавших при движении через базу р2: (1) I эp p I эn 1 n . Отсюда электронный ток второго эмиттера 13 I эn I эp p . (2) 1 n Аналогично из условия электрической нейтральности базы n1 можно написать: I I эp эn n . (3) 1 p Множители p и n представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n1 и p2 . Таким образом, каждый эмиттер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эмиттера. Этим создаются все необходимые предпосылки для лавинного процесса. Однако лавинный процесс роста тока начинается только при некотором достаточно большом напряжении Uа на структуре (рис. 4). Кроме зарядов, вносимых в каждую из баз динистора рекомбинационными и транзитными составляющими токов, в общем балансе зарядов в базах принимают также участие неосновные носители, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Потоки неосновных носителей образуют дырочную Iкp и электронную Iкn составляющие обратного тока коллекторного перехода. Сумма этих составляющих образует полный обратный ток коллекторного перехода: Iк = Iкp + Iкn. (4) При учете всех составляющих тока (рис. 6) баланс зарядов в базах n1 и р2 определяется следующими равенствами: Iэnn + Iкn = Iэр(1 – p) – Iкp. (5) Iэpp + Iкp = Iэn(1 – n) – Iкn. При малых уровнях инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 инжектированные дырки и электроны практически все рекомбинируют в базах. Коэффициенты передачи дырочных и электронных токов через базы n1 и p2 много меньше единицы: p << 1 и n << 1. Через структуру протекает ток, приблизительно равный обратному току коллекторного перехода: (6) I I эp I эn I к 0 . Увеличение напряжения Uа, приложенного к структуре, вызывает расширение коллекторного перехода и соответственно уменьшение толщины базовых слоев n1 и p2. Следствием этого является рост транзитных составляющих дырочного Iэpp и электронного Iэnn токов через коллекторный переход, увеличение коэффициентов p и n. Зависимости коэффициентов p и n от тока I через динистор показаны 14 на рис. 7,а. Более низкие значения коэффициента p по сравнению с n объясняются большей толщиной базы n1 по сравнению с базой p2 (в толстой базе число актов рекомбинации больше, чем в тонкой). В силу непрерывности токов ток анода динистора I = Iэp = Iэn равен полному току через коллекторный переход: (7) I I эp p I эn n I к0 . I p n 1 C I max p + n А n Iвыкл p B Iвкл A 0 Iвкл а) 0 I Uост б) Uвкл Ua Рис. 7. Вольтамперная характеристика динистора: а) зависимость коэффициентов передачи тока от анодного тока динистора; б) вольтамперная характеристика динистора I I к0 . 1 p n (8) Соотношение (8) позволяет определить условие быстрого роста тока через структуру. При приближении тока через прибор к величине Iвкл (рис. 7,а) сумма коэффициентов (p + n) 1 и ток через прибор должен лавинообразно нарастать I , что для некоторой величины напряжения Uвкл равносильно условию равенства нулю дифференциального сопротивления: (9) dU dI 0 . Это значит, что в этой точке происходит изменение знака производной dUа /dI или переход от области положительного дифференциального сопротивления (участок ОА на вольтамперной характеристике рис. 7,б) к области отрицательных дифференциальных 15 сопротивлений (участок АВ вольтамперной характеристики). Неограниченному росту тока препятствует резистор R, через который динистор подключен к источнику напряжения. Аналогично второй изгиб характеристики (точка В) при I = Iвыкл также характеризуется изменением знака дифференциального сопротивления dUа /dI (p + n = 1). С дальнейшим ростом тока сумма (p + n) будет превосходить единицу. В этом случае переход П2 является глубоко насыщенным, падение напряжения на нем стремится к нулю и меняет знак. Характерными величинами, принятыми в качестве основных параметров динистора, являются: 1. Максимальное прямое напряжение на динисторе, называемое напряжением включения Uвкл и определяемое как напряжение, при котором dUа /dI = 0. 2. Ток включения Iвкл, определяемый как максимальный прямой ток через динистор в закрытом состоянии при dUа /dI = 0. 3. Минимальное прямое напряжение на динистое в открытом состоянии, при котором dUа /dI = 0, называемое напряжением выключения Uвыкл. 4. Ток выключения Iвыкл, который характеризуется минимальным значением тока через динистор, находящийся в открытом состоянии. 5. Остаточное напряжение Uост, т. е. падение напряжения на динисторе в открытом состоянии при максимально допустимом токе через динистор Imax. 6. Ток утечки Iут, определяемый как ток через динистор в закрытом состоянии при напряжении, равном Uвкл /2. 7. Предельно допустимое обратное напряжение Uобр.доп. 8. Ток утечки в обратном направлении Iобр.ут, соответствующий предельно допустимому обратному напряжению. Так как полярность напряжения на переходе П2 при открытом динисторе противоположна полярности напряжений на переходах П1 и П3 (рис. 2,г), суммарное падение напряжения в динисторе (без учета падения напряжения в базах и эмиттерных слоях) примерно такое же, как в диоде, имеющем только один p-n-переход. В качестве максимального значения прямого тока динистора принимается Imax, который ограничен допустимыми потерями электрической мощности в приборе, преобразующейся в тепло. Это тепло прибор должен рассеять при допустимой температуре нагрева кристалла полупроводника. 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИНИСТОРЕ 16 R +E R +E A p1 Ia Iу n1 Iу а) б) p2 n2 Uу Uу VD K Рис. 8. Структура (а) и схема включения (б) тринистора По конструктивному выполнению тринисторы отличаются от динисторов тем, что первые имеют наружный вывод от тонкой базы p2, прилегающей к катоду (рис. 1), и общий вывод для катодной цепи и цепи управления. Схема включения тринистора и его условное обозначение показаны на рис. 8. К наружным выводам от слоев управления p2 и n2 присоединяется источник постоянного напряжения или тока (статическая система управления), или же, что чаще применяется, импульсный источник напряжения либо тока (импульсное управление). Направления движений носителей заряда и соотношения токов в слоях тринистора показаны на рис. 9. Ток управления Iу, втекающий в + П1 П2 + – + – П3 + – – Ipp Ip Iкn Iа Inn А p1 n1 Iк=Iа + Iу Iкp К In p2 Iуn Iуp n2 Iу Рис. 9. Схема движения носителей заряда и составляющие тока в слоях тринистора 17 базу p2, вводит в нее дырки (ток Iуp). Повышение концентрации дырок в базе p2 приводит к понижению потенциального барьера перехода П3 и увеличению инжекции электронов из эмиттера n2 в базу p2: (10) I n I n n I p p I у I p I у . Следствием этого является увеличение коэффициента передачи αn и а) транзитной составляющей электронного тока Inαn. Условие лавинообразного n 0 нарастания тока через Iа 1 тринистор (αp + αn ) → 1 (см. формулу 8) выполняется при б) меньшем токе анода Iа. Зависимость 0 коэффициента αp от тока анода Iу Iу+Iвкл Iк=Iа+Iу Iа показана на рис. 10,а. Ниже p+n на рис. 10,б приведена 1 зависимость αn от тока катода Iк = Iа + Iу, смещенная влево на величину тока управления Iу в) относительно кривой αp = f(Iа). 0 На рис. 10,в построена Iвкл Iа зависимость (αp + αn ) = f(Iа). Из построения видно, что чем Рис. 10. Зависимость больше Iу, тем при меньших коэффициентов передачи тока: а) p токах анода тиристора от анодного тока; б) n от катодного достигается равенство αp + αn = тока; в) p+n от анодного тока 1. В соответствии с уменьшением Iвкл имеет место снижение напряжения включения Uвкл. Связь между напряжением включения Uвкл и током управления Iу показывает кривая, приведенная на рис. 11. На рис. 12 показано семейство вольтамперных характеристик тринистора для ряда величин тока управления 0 Iу Iспр. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения. Величина тока управления, при котором на Iспр Iу вольтамперной характеристике тринистора участок с отрицательным 11. Зависимость пропадает p 1 Uвкл 0 Рис. напряжения включения от тока управления тринистора 18 дифференциальным сопротивлением, и вольтамперная характеристика тринистора становится подобной вольтамперной характеристике диода, называется током спрямления Iспр. На семействе вольтамперных характеристик (рис. 12) построена нагрузочная прямая MN, соответствующая напряжению питания E < Uвкл0. При Iу = 0 тринистор находится в закрытом состоянии. Для Iа Imax C M Iспр Iвыкл > Iу3 > Iу2 > Iу1 > Iу0 = 0 B Iвкл A N 0 Uвкл3 Uвкл2 +Е Uвкл1 Uвкл0 Ua Рис. 12. Семейство вольтамперных характеристик тринистора открытия тринистора необходимо подать на управляющий электрод ток управления (Iу2), при котором напряжение включения становится меньше напряжения питания Uвкл2 < E (точка А смещается влево от нагрузочной прямой MN). При импульсном управлении на управляющий электрод подают импульс тока, равного или превышающего ток спрямления Iу имп Iспр. При этом тринистор переходит в открытое состояние независимо от величины напряжения питания Е. Для закрытия тринистора необходимо выключить источник питания или изменить его полярность на обратную. Основные параметры тиристора: 1. Максимальное прямое напряжение на тринисторе, называемое напряжением включения Uвкл0 и определяемое как напряжение, при котором dUа/dIа = 0. 19 2. Ток включения Iвкл, определяемый как максимальный прямой ток через тринистор в закрытом состоянии при dUа/dIа = 0. 3. Минимальное прямое напряжение на тринисторе в открытом состоянии, при котором dUа/dIа = 0, называемое напряжением выключения Uвыкл. 4. Ток выключения Iвыкл, который характеризуется минимальным значением тока через тринистор, находящийся в открытом состоянии. 5. Остаточное напряжение Uост, т. е. падение напряжения на тринисторе в открытом состоянии при максимально допустимом токе через тринистор Imax. 6. Ток утечки Iут, определяемый как ток через тринистор в закрытом состоянии при напряжении, равном Uвкл /2. 7. Предельно допустимое обратное напряжение Uобр.доп. 8. Ток утечки в обратном направлении Iобр.ут, соответствующий предельно допустимому обратному напряжению Uобр.доп. 9. Ток спрямления Iспр, определяемый как ток управляющего электрода, при котором исчезает участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Тиристор, подсоединенный к источнику напряжения через нагрузочное сопротивление, может находиться только в одном из двух устойчивых состояний, рабочие точки которых F или G находятся на ветвях вольтамперной I C характеристики ОА или ВС с положительным M дифференциальным сопротивлением (рис. 3). Варьируя напряжение питания Е или сопротивление нагрузки R, можно перемещать рабочую B Iвыкл точку и исследовать ветви G I ОА и ВС вольтамперной A Iвкл характеристики. 0 Ua Uвкл 0 Ua Рис. 13. Подключение тиристора к источнику тока 20 Для исследования ветви АВ с отрицательным дифференциальным сопротивлением тиристор должен быть подключен к источнику тока. При этом линия нагрузки превращается в горизонтальную прямую (рис. +40 В 13), и, меняя ток источника, +E можно перемещать рабочую R3 точку G по любой из ветвей вольтамперной характеристики. R1 Электрическая принципиальная схема установки VT1 для снятия вольтамперной VT2 характеристики динистора показана на рис. 14. Источник R2 VD тока выполнен на транзисторе VT1 и резисторе R3. Регулирование величины тока, PA PV протекающего через динистор VD, в пределах 0 < I < 0,5 мА производится изменением напряжения на базе транзистора Рис. 14. Электрическая схема VT1 с помощью потенциометра установки для испытаний R1. Ток I измеряется динистора миллиамперметром PA. Вольтметр PV, +150 В подключенный к +E аноду динистора R6 R1 через эмиттерный повторитель на R3 транзисторе VT2, служит для VT1 R2 измерения VT2 напряжения Ua на динисторе. R4 PA1 VD Принципиаль ная электрическая схема установки для R5 PA2 PV снятия вольтамперной характеристики тринистора показана Рис. 15. Электрическая схема установки для на рис. 15. Источник испытаний тринистора 21 тока анода выполнен на транзисторе VT1 и резисторе R6. Регулирование величины тока, протекающего через тринистор VD, в пределах 0 < I < 5 мА производится изменением напряжения на базе транзистора VT1 с помощью потенциометра R3. Ток Iк измеряется миллиамперметром PA2. Вольтметр PV, подключенный к аноду тринистора через эмиттерный повторитель на транзисторе VT2, служит для измерения напряжения Ua между анодом и катодом тринистора. Для варьирования и измерения тока управления Iу тринистора в пределах 0 < I < 0,25 мА применены потенциометр R2 и миллиамперметр PA1. 7. ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Задание 1. Изучение статических характеристик динистора 1) Собрать установку для исследования динистора в соответствии со схемой рис. 14. Установить напряжение питания установки в пределах Е = 35 40 В. 2) Снять вольтамперную характеристику динистора I = f(Uа). Результаты представить в виде таблицы и графика. 3) По графику вольтамперной характеристики определить параметры динистора: а) напряжение включения Uвкл; б) ток включения Iвкл; в) ток выключения Iвыкл; г) напряжение выключения Uвыкл; д) ток утечки Iут; е) величины дифференциальных сопротивлений Rдиф = dUа /dI на участках OA, AB, BC вольтамперной характеристики (рис. 13). Задание 2. Изучение статических характеристик тринистора 1) Собрать установку для исследования тринистора в соответствии со схемой рис. 15. Установить напряжение питания установки в пределах Е = 140150 В. 2) Снять семейство вольтамперных характеристик тринистора Iа = f(Uа) при различных значениях тока управляющего электрода Iу. Результаты представить в виде таблиц и графика. 3) По семейству вольтамперных характеристик тринистора I = f(Uа) построить график зависимости напряжения включения тринистора от тока управляющего электрода Uвкл = f(Iу). Определить величину тока спрямления Iспр. 4) По графику вольтамперной характеристики, снятой при Iу = 0, определить параметры тринистора: 22 а) максимальное прямое напряжение на аноде Uвкл0; б) ток включения Iвкл; в) ток выключения Iвыкл; г) напряжение выключения Uвыкл; д) ток утечки Iут; е) величины дифференциальных сопротивлений Rдиф = dUа/dIа на участках OA, AB, BC вольтамперной характеристики (рис. 13). 8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Расскажите об устройстве динистора (тринистора). 2. Каковы основные физические процессы, протекающие в динисторе (тринисторе)? 3. Расскажите о назначении управляющего электрода тринистора. 4. Рассмотрите вольтамперную характеристику динистора (тринистора) с точки зрения физических процессов, протекающих в четырехслойной структуре типа p-n-p-n . 5. Назовите основные параметры динистора (тринистора). 6. Почему с ростом тока управляющего электрода напряжение включения уменьшается? 7. Каково остаточное падение напряжения на открытом динисторе (тринисторе)? 8. Почему остаточное падение напряжения на p-n-p-n структуре слабо зависит от величины тока, протекающего через структуру? 9. При какой величине тока управляющего электрода график Iа = f(Uа) спрямляется и падающий участок исчезает? 10. Расскажите о технологии изготовления динисторов (тринисторов). 11. Расскажите о применениях динисторов (тринисторов). 23 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб., 2006. 480 с. 2. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Основы полупроводниковой электроники. М., 2005. 392 с. 3. Гуртов В. Твердотельная электроника. М., 2005. 408 с. 4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М., 1987. 479 с. 5. Баюков А.В., Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. М., 1987. 744 с. 6. Аронов Л.В., Баюков А.В., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник. М., 1985. 904 с. 24 Содержание Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Полупроводниковые четырехслойные диоды типа p-n-p-n . . . . . 2. Зонная диаграмма диодного тиристора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Схема включения и вольтамперная характеристика динистора . 4. Физические процессы в динисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Физические процессы в тринисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Задания для выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 5 5 9 10 14 18 20 21 22 25 Методическое издание Составители Александр Сергеевич Ажеганов Игорь Львович Вольхин Кирилл Александрович Сеник Изучение статических характеристик тиристоров Методические указания к выполнению лабораторной работы Редактор Т.В. Полушкина Корректор А.С. Гурьева Подписано в печать 24.11.2006. Формат 608416. Бум. ВХИ. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ . Редакционно-издательский отдел Пермского университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15 Типография Пермского университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15
