Разновидности приборов с зарядовой связью

Простейшие ПЗС имеют ряд недостатков:

1. Металлические электроды затвора необходимо располагать очень близко друг к другу (1 мкм) для обеспечения перетекания заряда.

2. при малом расстоянии между затворами возможно загрязнение окиси кремния и соответственно ухудшение параметров этой пластины.

Возможны паразитные соединения отдельных групп между собой.

Эти недостатки устраняются в ПЗС, имеющих другие конструкции.

Наибольшее распространение получили двухтактные ПЗС.

ПЗС-структуры можно построить на комбинации МОП-транзисторов.

p-области выступают в качестве проводящих участков.

Глава 5

Тиристоры

Тиристоры – полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами, имеющие на ВАХ участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях: включенном и выключенном. Используется в переключающих устройствах.

Несколько разновидностей тиристоров:

1. Тиристоры с двумя выводами – динисторы. Процесс включения или выключения этих приборов можно осуществлять лишь в силовой цепи.

2. Трёхвыводные тиристоры (тиристоры с управляющими электродами) – тринисторы. Управление можно осуществлять как по силовой цепи, так и по цепи управления. Выключение обеспечивается по силовой цепи. Приборы с неполным управлением – можем включать в нужный момент, а выключать, когда подойдёт определённый момент. Есть тиристоры с полным управлением.

3. Симисторы – симметричные тиристоры. Эти тиристоры могут служить переключателями в цепях переменного тока.

5.1 Динистор

Динистор – структура, состоящая из трёх p-n-переходов.

1, 3 – p-n-переходы включены в прямом направлении. Они получили название эмиттерных переходов;

2 – p-n-переход включён в обратном направлении. Он получил название коллекторного перехода.

Рассмотрим принцип действия тиристора:

При подаче напряжения электроны, которые инжектируются через первый p-n-переход, будут попадать в зону коллекторного перехода и будут накапливаться в n-зоне. Дальнейшему продвижению электронов будет препятствовать потенциальный барьер следующего p-n-перехода. В результате ток через структуру будет достаточно мал.

Схема замещения из двух транзисторов с разной проводимостью:

При напряжении включения концентрация достигает критического значения. Коллекторный переход полностью исчезает, и тиристор оказывается в прямом включении. Потенциальные ямы практически исчезают.

Тиристор (тринистор):

Динистор:

I = ;

= = ;

= ;

= ;

= . (5.1)

Области n и p в тиристоре делают как можно больше. Для уменьшения коэффициента добавляют шунтирующий переход.

Повышается напряжение включения.

5.2 Тиристор с управляющим электродом (тринистор)

Тринистор – прибор с тремя выводами: анодом, катодом и управляющим электродом.

Управляющий электрод служит для управления процессом накопления избыточного заряда в одной из центральных областей тиристора. По этой причине различают тиристоры с катодным и анодным управлением.

Как действует этот прибор?

В p-области будет происходить накопление носителей заряда. При каком-то критическом токе концентрация носителей станет критической, тиристор перейдёт во включенное состояние.

ВАХ тиристора:

''' > '' > ' = 0.

Управляющий электрод размещается в более тонкой базе, чтобы легче было управлять. Другая база более толстая.

При обратном включении два p-n-перехода в обратном включении.

Внутренняя структура тиристора может иметь вид:

В этом случае при некотором напряжении на управляющем электроде основные носители из n-области начинают инжектироваться в p-область. Происходит отпирание тиристора.

5.3 Симметричные тиристоры (симисторы)

Симистор (СТ) – тиристор, имеющий практически одинаковые характеристики при различных полярностях напряжения.

Могут быть двухвыводные симисторы и симисторы с управляющим электродом.

В зависимости от того, где расположен управляющий электрод, существуют различные способы управления этим СТ.

Крайние p-n-переходы (1-й и 4-й) зашунтированы объёмным сопротивлением соответствующих p-областей.

Если подать напряжение, то 1-й p-n-переход окажется включенным в обратном направлении. За счёт шунтирования -областью этот переход полностью выкл. из работы. В результате мы получаем структуру обычного тиристора, где I – катод, а II – катод. 2 и 4 – прямое направление; 3 – обратное направление смещения. Работа ничем не отличается от работы тиристора.

Если подать обратную полярность, то 4-й p-n-переход оказывается под обратным смещением и шунтирован зоной . При этом он полностью выкл. из работы. В результате получаем тиристор, у которого I – катод и II – анод.

Если данную структуру сделать симметричной относительно зоны n, то получаем полностью симметричный прибор (одинаковое напряжение включения).

Данный прибор можно сделать управляемым. Для этого нужно в одну из зон поместить дополнительные носители. Если вводить в и , то управление будет несимметричным. Поэтому делают выпрямляющий p-n-переход в каждой из p-областей, соединяемых между собой.

Можно подключить управляющий электрод к средней зоне n. В этом случае также можно управлять процессом включения-выключения.

При применении симистора необходимо разобраться, какие сигналы могут подаваться на управляющий электрод. Туда могут подаваться как положительные импульсы, так и разнознаковые.

Симистор можно заменить двумя тиристорами.

5.4 Способы переключения. Процесс включения тиристора

1. Включение путём увеличения анодного напряжения до напряжения .

В этом случае тиристор включается по своей естественной характеристике.

2. Включение с помощью тока управления.

При таком включении в одну из областей тиристора через управляющий электрод обеспечивают инжекцию неравновесных носителей заряда. В некоторой области появляется избыточный заряд, и при достижении некоторого критического значения происходит включение тиристора.

Этот процесс не может происходить мгновенно, поэтому нужно, чтобы управляющий импульс имел соответствующую амплитуду и длительность. Процесс включения тиристора можно представить в виде двух интервалов времени.

− время задержки, определяющееся временем диффузии инжектированных носителей.

Одновременно на тиристоре происходит падение напряжения. Напряжение уменьшается до 0,9 . В дальнейшем происходит накопление избыточных носителей заряда и увеличение тока.

В течение т. н. времени нарастания происходит резкое падение напряжения. Переход из точки 1 в точку 2, т. е. длительность импульса управления, должен происходить дольше времени , чтобы прибор включился. Это время t не зависит от управляющего импульса. Оно сильно зависит от сопротивления нагрузки и от анодного напряжения. Чем меньше это время, тем меньше теряется мощности. Чем выше частота коммутации, тем больше вероятность перегрева тиристора.

3. Включение тиристора за счёт быстрого изменения анодного напряжения .

Через тиристор будет проходить ёмкостный ток, обусловленный наличием барьерных ёмкостей p-n-перехода:

= ,

где и . То:

.

Рассмотрим выключение тиристора:

1. Выключение тиристора путём разрыва анодной цепи.

Тиристор может оказаться в выключенном состоянии только после рассасывания заряда в базовых областях. Если до полного рассасывания этого заряда вновь подать напряжение, то тиристор опять окажется во включённом состоянии, т. е. для выключения необходимо некоторое время . При выключении тиристора разрывом цепи рассасывание носителей заряда происходит только за счёт рекомбинации. Время выключения зависит только от времени жизни носителей заряда. У большинства тиристоров во много раз больше, чем . Время выключения задаёт частотные характеристики тиристора.

2. Выключение тиристора за счёт подачи обратного напряжения.

Такой процесс выключения не влияет на время выключения. Происходят те же процессы, что и при обрыве анодной цепи. Это связано с тем, что для выключения тиристора необходимо уменьшить потенциал коллекторного перехода.

Тиристор – прибор с неполным управлением.

5.5 Основные параметры и конструкция тиристоров

1) Напряжение включения – прямое напряжение, при котором тиристор переходит из открытого состояния в закрытое.

Зависит от температуры: чем выше температура, тем меньше напряжение пробоя.

= 10 В – 2,5 кВ.

2) Ток включения – такое значение прямого анодного тока в закрытом состоянии, выше которого тиристор перейдёт в открытое состояние при разомкнутой цепи управления.

Ток включения падает с увеличением температуры.

3) Отпирающий ток управления – номинальный ток в цепи управляющего вывода, который обеспечивает гарантированное включение тиристора в открытое состояние.

Как правило, указывается при фиксированном напряжении.

Есть ток спрямления – ток, при котором тиристор переводится в открытое состояние даже при минимальных напряжениях.

Есть напряжение спрямления.

4) Временные параметры:

а) Время задержки – время от подачи отпирающего импульса до увеличения анодного тока на величину 0,1 – ток нагрузки.

б) Время включения – время, в течение которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое, и ток меняется от 0,1 до 0,3 .

в) Время выключения – время, в течение которого тиристор гарантированно переходит в закрытое состояние при прерывании тока или при подаче напряжения на тиристор.

4) Остаточное напряжение – значение напряжения на тиристоре, находящемся в открытом состоянии при прохождении максимального тока.

5) Максимально возможная скорость нарастания прямого анодного напряжения () – та скорость нарастания, которая ещё не приводит к отпиранию тиристора при разорванной цепи управления.

6) Максимальное обратное напряжение – максимальное обратное напряжение, которое может быть подано на тиристор без пробоя его структуры.

7) Максимально допустимый ток (в открытом состоянии)– максимальный ток, который может быть пропущен через тиристор без ухудшения его свойств.

I = 10 А – 1 кА.

8) Ток выключения () – минимальный ток, при значениях ниже которого тиристор отключается, если в цепи управления нет тока (цепь разомкнута).

9) Максимально допустимая скорость нарастания прямого тока – скорость нарастания прямого тока, которая не вызывает нарушений в структуре тиристора.

Наиболее опасен этот параметр для мощных тиристоров, рассчитанных на большие токи.

При работе тиристора на нём выделяется достаточно большая мощность как в статическом, так и динамическом режиме.

Тиристоры изготавливаются с элементами крепления с радиаторами.

Наибольшее распространение получили две конструкции.

Недостаток: сложно обеспечить хороший тепловой контакт с радиатором.

Такую конструкцию имеют тиристоры малой и средней мощности.

2) Таблеточная конструкция.

Тиристор крепится к радиатору с обеих сторон. Радиаторы изолированы.

5.6 ICBT-транзисторы

ICBT-транзистор – составной транзистор, изготовленный в одном технологическом цикле.

Входной транзистор – полевой; выходной – мощный биполярный транзистор. За счёт этого увеличивается крутизна ICBT-транзистора.

= , (5.2)

где − крутизна первого транзистора;

− коэффициент передачи второго транзистора.

может достигать нескольких десятков .

Выходной биполярный транзистор работает в режиме насыщения, в базе не накапливается избыточный заряд.

Эти тиристоры имеют очень малое сопротивление в открытом состоянии: R = 0,001 Ом.

Недостаток: не очень высокие частотные свойства − = 100 кГц.

Применяются ICBT-транзисторы для замены тиристоров.

ICBT-транзисторы являются приборами с полным управлением.

VT1 – входной транзистор МДП с ИК;

VT2 – выходной мощный БП;

VT3 – паразитный транзистор, который создаётся в структуре в процессе производства.

Основное достоинство ICBT-транзисторов: высокая повторяемость характеристик. Поэтому их можно включать последовательно или параллельно.

Чаще всего ICBT-транзисторы выпускаются в составе силового модуля.

Силовой модуль: от 1 до 6 ICBT-транзисторов в цепи управления, а также в цепи защиты.

Характеристики:

Входные характеристики – как у полевого транзистора с изолированным каналом:

Выходные характеристики – как у обыкновенного полевого транзистора:

5.7 Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя невыпрямляющими контактами в базовой области.

Этот транзистор предназначен для усиления и генерации колебаний.

Однопереходный транзистор имеет два устойчивых состояния: закрытое (сопротивление между двумя базами очень большое – тока нет) и открытое (ток между двумя базами может принимать большие значения).

Между этими двумя состояниями есть участок отрицательного дифференциального сопротивления.

Если , то за счёт протекания тока от к p-n-переход смещается в обратном направлении.

Если > , то p-n-переход открывается и начинается инжекция неосновных носителей в область базы.

Вначале инжекция происходит только в нижнюю часть базы, сопротивление этого участка падает, и ток ещё больше увеличивается. На выходной характеристике получается участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Для компенсации неосновных носителей заряда через невыпрямляющий контакт течёт ток. Концентрация во всей базе увеличивается. Сопротивление между и резко уменьшается. Транзистор переходит во включенное состояние. Это состояние будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить инжекция дырок через эмиттерный переход.

' < ''.

Однопереходный транзистор как любой прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован в качестве генератора, переключателя или усилителя. При этом он может обеспечить усиление как по мощности, так и по току.

Найдём коэффициент передачи тока:

, (5.3)

где q – заряд электрона;

S – поперечное сечение базы;

− подвижность носителей заряда;

E – напряжённость электрического поля.

;

;

;

; (5.4)

Коэффициент передачи тока зависит от подвижности соответствующих носителей заряда.

Для ОПТ в качестве базы лучше выбирать проводник n-типа. Т. к. подвижность , то сопротивление будет выше.

КТ117А – ОПТ – применяется в качестве генератора в системах преобразовательной техники.

Основная схема включения однопереходного транзистора:

Через происходит зарядка конденсатора С. Когда достигнет VT1, VT1 откроется и через него потечёт ток , а также С будет разряжаться. Происходит выключение транзистора VT1. В дальнейшем цикл повторяется снова.

Схема сама синхронизируется.

Данная схема может работать и без резистора . За счёт можно обеспечить термостабильность схемы.

С увеличением температуры ток через однопереходный транзистор увеличивается. Отсутствие приводит к изменению напряжения включения. За счёт это можно скомпенсировать.

Глава 6

Оптоэлектронные приборы

В данной группе приборов находится большое количество полупроводниковых устройств:

− приёмники излучения (фоторезисторы, фотодиоды…);

− излучатели:

а) излучатели когерентного излучения (лазеры);

б) излучатели некогерентного излучения (светодиоды);

- группа приборов для обеспечения гальванической развязки (оптоэлектронные приборы).

6.1 Полупроводниковые приёмники излучения

Работа этих приборов основана на явлении фотоэффекта. В полупроводниковых приборах используется внутренний фотоэффект − электроны не выбиваются с поверхности полупроводника.