Режимы работы полевых транзисторов.

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединенный последовательно со стоком полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком, что показано на рис. 21.

Рис. 21. Транзистор в динамическом режиме работы.

 

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р · Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р · Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп – Iс.р · Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 22, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Рис. 22. Динамическая характеристика.

 

Чтобы провести эту линию, которую еще называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определенному напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определенную величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённый величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток, а падение постоянного напряжения между этими выводами называют напряжением насыщения. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.

3. Тиристоры.

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые компоненты, имеющие четыре и более слоя и три и более чередующихся электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы. У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определенного напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рис. 23.

рис.23. Схематическое изображение динистора.

 

Крайние зоны – называются анодом и катодом, а средние базами. Соответственно крайние переходы называют эмиттерными, а средний коллекторным.

При обратном включении – коллекторный переход открыт, а эмиттерные переходы закрыты. Будет протекать небольшой обратный ток (рис.24, участок V), а при увеличении обратного напряжения возможен пробой (рис.24, участок VI).

Рис. 24. ВАХ динистора.

 

На рисунке обозначено:

I – участок открытого состояния динистора, на котором его проводимость высока;

II – участок отрицательного сопротивления;

III – участок пробоя коллекторного перехода;

IV – участок в прямом включении, на котором динистор заперт, и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения пробоя;

V – участок обратного включения динистора;

VI – участок лавинного пробоя.

 

При прямом включении – коллекторный переход заперт, а эмиттерные переходы открыты. Носители заряда из крайних областей переходят в области баз.В указанных зонах баз носители заряда уже станут неосновными, и в результате в этих зонах возникает рекомбинация носителей зарядов, и из-за нее концентрации свободных носителей зарядов станут меньше. Поле коллекторного перехода будет ускоряющим для ставших неосновными носителей заряда, которые ввиду инжекции его преодолевают и оказываются в зонах, где они вновь будут основными. В областях p1 и n2 эти носители зарядов снова станут неосновными и вновь рекомбинируют. По причине рекомбинаций носителей зарядов проводимость динистора на участке IV мала и протекающий через него обратный ток также мал. По причине рекомбинаций носителей зарядов проводимость динистора на участке IV мала и протекающий через него обратный ток также мал.

Если начать увеличивать постоянное напряжение, прикладываемое к динистору в прямом включении, то возрастает ширина коллекторного перехода и скорость носителей заряда, и становятся меньше интенсивности рекомбинаций, а прямой ток через динистор медленно возрастает. Чем больше будет прямое напряжение, тем интенсивнее станет ударная ионизация, порождающая новые носители заряда, что при определенном напряжении включения приведет к лавинному пробою коллекторного перехода. Пробой сопровождает резкое увеличение проводимости динистора в прямом включении. Динистор открывается, и на нем будет падать небольшое остаточное напряжение.

Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.

Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом.

 Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключенного к одной из баз. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключенного к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдет в открытое состояние. Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдет в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображенной на рис. 25.

Рис. 25. ВАХ тринистора.

 

На рисунке обозначено:

I – участок, на котором тринистор открыт;

II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;

III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;

IV – участок обратного включения динистора.

 

Если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор. Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, – это полностью управляемые компоненты, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей.

Симисторы, в отличие от обычных тиристоров, проводят ток анод-катод при протекании тока по управляющему электроду, как в пря-мом направлении, так и в обратном. В результате этого их вольтамперная характеристика симметрична, что отражено на рис. 26.

Рис. 26. ВАХ симистора.

 

Таким образом, на вольтамперной характеристике каждого симистора присутствуют два участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Структура симистора содержит пять слоев, что показано на рис. 27.

Рис. 27. Структура симистора.

 

К управляющему электроду, который отведен от зоны n3, подсоединим вывод отрицательного напряжения, полученного от источника питания, относительно вывода от зон p2, n4, в результате чего электроны из зоны n3 инжектируют в зону p2. Кроме того, приложим напряжение от источника питания положительным полюсом к зонам p1, n1, а отрицательным полюсом к зонам p2, n4. Переходы П1 и П4 открыты, и играют роль эмиттерных переходов, а переход П2 закрыт и исполняет обязанности коллекторного перехода, и через симистор по выводам анод-катод протекает ток.

Теперь поменяем полярность и приложим напряжение отрицательным полюсом к зонам p1, n1, а положительным полюсом к зонам p2, n4. Переходы П1 и П4 закрыты, и переход П1 выполняет функции коллекторного перехода, а переход П2 открыт и служит коллекторным переходом, и через симистор и в этом случае по выводам анод-катод течет ток. Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.