Контрольные вопросы

1. Дайте определение тиристора и назовите основные признаки классификации тиристоров.

2. Нарисуйте структуру динистора, укажите полярность включения источника питания и объясните процессы, происходящие в тиристоре на различных участках ВАХ.

3. Каково смещение коллекторного перехода тиристора после перехода в открытое состояние?

4. В чем преимущества тринисторов перед динисторами?

5. Нарисуйте схему включения тринистора, укажите полярность источников питания.

6. Какова роль управляющего электрода в тиристоре? Как будет выглядеть управляющая характеристика и почему?

7. Какими способами можно перевести тиристор из закрытого состояния в активное?

8. Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в закрытое?

9. Перечислите основные параметры и характеристики тиристоров.

10. Чем объясняется инерционность тиристоров?

11. Объясните вид осциллограмм тока и напряжения при работе тиристора в схеме управляемого выпрямителя.

12. Объясните роль тиристора в схеме генератора пилообразного напряжения.

1.1.6 Исследование варикапа

Цель работы:

Изучить принцип действия и устройство полупроводникового конденсатора (варикапа).

Теоретическая часть

Варикап (англ. vari(able) — переменный и cap(acity) — ёмкость) — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Обозначение на схемах

При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения ёмкость не изменяется.

Теория p-n перехода

Работа большинства полупроводниковых приборов – и в том числе варикапов – основана на использовании свойств электрического перехода – переходного слоя в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая – р-типа, называется электронно-дырочным переходом. Бывают симметричные и несимметричные р-n-переходы. В симметричных переходах выполняется условие n_n = p_p, где n_n – концентрация электронов в полупроводнике n-типа, p_p – концентрация дырок в полупроводнике р-типа. Таким образом концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного р-n-перехода равны. Однако, на практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация дырок в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа (p_p > n_n), или наоборот (n_n > p_p), причем различие в концентрации может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например, р-область в случае перехода p_p > n_n), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (n-область в случае перехода p_p > n_n), - базой.

Вблизи плоскости р-n-перехода существуют большие градиенты концентрации электронов и дырок, которые вызывают диффузионные потоки дырок из р-области в n-область, а электронов из n-области в р-область. Возникают диффузионные токи I_n^диф и I_p^диф. По аналогии с диффузией молекул газа можно ожидать, что диффузия электронов и дырок будет осуществляться до тех пор, пока их относительные концентрации не выровняются по всей структуре. Этого, однако, не происходит. Когда дырки диффундируют из р-области, в ней остается равное число отрицательных неподвижных ионов акцепторов. Аналогично, когда электроны диффундируют из n-области, в ней остаются положительные ионы доноров. Следовательно, в окрестности перехода диффузия дырок и электронов образует области с избыточной концентрацией неподвижных отрицательных зарядов в материале р-типа. Эти прилегающие к переходу области, содержащие неподвижные заряды, образуют область пространственного (объемного) заряда (рис. 1.). Области обьемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду тех подвижных носителей, которые диффундировали из этой области. По мере развития диффузии размеры заряженных областей увеличиваются, растут силы, притягивающие обратно основные носители заряда. Эти силы препятствуют диффузионному потоку. Поэтому процесс диффузии можно рассматривать как самоограничивающийся; он продолжается до тех пор, пока силы притяжения нескомпенсированных ионов примесей в слое объемного заряда не уравновесят диффузионный поток; при этом результирующий перенос заряда и ток становятся равными нулю.

Таким образом, взаимная диффузия основных носителей неизбежно сопровождается перераспределением зарядов и образованием в р-n-переходе двойного электрического слоя ионов донора и акцепторов, жестко связанных с решеткой. Толщина этого слоя (показан на рис.1 пунктирной линией) Х =10^-4 … 10^-5 см, а напряженность электрического поля Е₀ = -grad₀, где ₀ – высота потенциального барьера. За пределами перехода изменение потенциала практически равно нулю, так как проводник электрически нейтрален и поле в нем отсутствует. Образовавшийся потенциальный барьер высотой ₀ препятствует движению основных носителей заряда через переход. Поле напряженности Е₀ = ₀/Х выбрасывает из перехода подвижные носители «в свою область» (электроны в n, дырки в р-область). Поэтому область шириной Х называется обедненным слоем. Однако, это же поле Е₀ является ускоряющим для неосновных носителей – дырок в n-области и электронов в р-области. В поле напряженности Е₀ происходит их дрейф, возникают дрейфовые токи электронов I^др_n и дырок I^др_p.

Р ис.1. р-n-переход в равновесии

Движение зарядов прекращается когда наступает динамическое равновесие и токи через переход уравниваются: I_n^диф + I_p^диф = I^др_n + I^др_p.

Дрейфовые токи направлены навстречу диффузионным и равны им. При отсутствии внешнего поля результирующий ток через переход для каждого типа носителей равен нулю. Если к переходу приложить разность потенциалов таким образом, что плюс внешнего источника подключается к р-, а минус – к n-области, то этот источник создает в переходе электрическое поле Е противоположного Е₀ р-n-перехода, отчего результирующее поле в переходе ослабляется и потенциальный барьер снижается. Высота потенциального барьера становится равной =₀–U_ПР, где U_ПР – постоянное прямое напряжение, приложенное к переходу. В результате снижения потенциального барьера количество основных носителей, диффундирующих через переход, возрастает. При этом увеличивается количество подвижных носителей и в запирающем слое, сопротивление и его ширина уменьшается. Чем большее напряжение прикладывается, тем ниже становится потенциальный барьер, тем больше возрастает ток основных носителей, а так как их концентрация велика, то значителен и ток через переход. Ток растет очень резко с увеличением напряжения: I_пр ~exp(qU_пр/kT ).

Если к переходу приложить напряжение U_обр обратной полярности, плюс – к n-, а минус – к р-области, то переход оказывается включенным в обратном направлении, приложенное к переходу напряжение называется обратным, а ток через переход – обратным током I_обр. Внешний источник в этом случае создает в переходе электрическое поле Е того же направления, что и поле самого перехода Е₀, отчего потенциальный барьер повышается и его высота становится равной =₀+U_ПР. В результате повышения потенциального барьера основные носители уходят из приконтактных областей обоих полупроводников, концентрация свободных носителей в области перехода по сравнению с равновесным состоянием уменьшается, увеличивается ширина р-n-перехода Х и его сопротивление. Диффузионный ток основных носителей почти прекращается, а неосновные выносятся полем в противоположные области. Основная составляющая тока через переход – ток дрейфа неосновных носителей. Но их концентрация невелика и ток через переход, включенный в обратном направлении, незначителен и практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения.

ВАХ идеального p-n-перехода описывается уравнением:

I=I₀ (exp(qU/kT )-1),

где I₀ обратный ток (тепловой ток) р-n перехода, U –приложенное напряжение («+» -в прямом направлении, «-» в обратном) и показана на рис.2.

Рис.2. Вольтамперная характеристика идеального р-n-перехода.