Вольт-амперная характеристика динистора

Для удобства изложения на рис. 6.3 сразу приведена характери­стика динистора и указаны ее участки. Такую ВАХ называют S-образной. Для нее характерна неоднозначная зависимость тока от напря­жения. Одному значению напряжения могут соответствовать два зна­чения тока. Для фиксации тока при измерениях любой точки ВАХ при­ходится включать во внешнюю цепь резистор (см. рис. 6.1) и под­бирать его сопротивление так, чтобы была только одна точка пересе­чения В нагрузочной прямой и ВАХ (рис. 6.4). Эта точка пересечения и будет определять ток I и напряжение U = Е – I , которое измеряет­ся вольтметром, присоединенным к выводам А и K тиристора.

Участок I соответствует положительному напряжению на аноде А. Для снятия этого участка ВАХ внешнее сопротивление может быть равно нулю, так что напряжение на тиристоре равно напряже­нию источника питания U = Е и изменяется вместе с ним. При таком включении переходы и оказываются включенными в прямом направлении, а – в обратном. Такое включение называют пря­мым включением тиристора. Напряжение анод – катод U есть сум­ма напряжений на переходах:

(6.7)

Большая часть этого напряжения падает на среднем переходе ,включенном в обратном направлении, и потому имеющем большое сопротивление. Прямые напряжения и малые, так что мож­но приближенно при прямом включении считать U .

Для анализа участка I ВАХ могут быть использованы формулы (6.5) и (6.6), выведенные для рассматриваемого режима работы. Однако следует иметь в виду, что формулой (6.6) можно пользо­ваться, пока справедливо неравенство ( + ) < 1. При ( + ) 1 ток по формуле безгранично увеличивается, что лишено физическо­го смысла. В левой части участка I, соответствующего напряжению , которое много меньше напряжения лавинного пробоя пе­рехода, можно считать М 1, а обратный ток перехода определяет­ся в кремниевых тиристорах только генерацией пар носителей в са­мом переходе ( ). При малом токе в переходе , а, следовательно, и в эмиттерных переходах << 1, << 1 и ( + )<< 1, по­этому вместо (6.6) при М 1 можно по правилам приближенных вы­числений записать

(6.8)

Ток в цепи тиристора в этом случае определяется обратным током коллекторного перехода, т.е. генерационным током. С ростом на­пряжения U, т.е. , коллекторный переход расширяется, его объ­ем увеличивается и возрастает ток . Конечно, при этом одновре­менно возрастают и , но пока ( + )<< 1, это влияние можно практически не учитывать и считать, что .

Участок I с малыми токами соответствует состоянию тиристора «закрыто». При малых токах закрытого состояния, когда ( + ) < 1, положительная обратная связь в тиристоре относительно слабая и не вызывает неустойчивости; поэтому существует стационарный режим, характеризуемый формулой (6.8). В правой части участка I, если напряжение больше примерно половины напряжения лавинно­го пробоя, необходимо учитывать влияние на стационарный ток не только роста и , но и увеличение коэффициента умножения M( + ) 1 по сравнению с единицей. По мере приближения к на­пряжению лавинного пробоя (М 1) роль положительной обратной связи возрастает и увеличивается скорость роста тока (производная dI/dU). Напряжением переключения называют значение, при ко­тором дифференциальное сопротивление становится равным ну­лю. На рис. 6.3 это соответствует точке а – точке максимума функции U = f(I). Для нахождения дифференциального сопротивления пере­пишем (6.6) в более удобном для дифференцирования виде:

(6.9)

После дифференцирования и преобразования получим

(6.10)

Выражения в скобках в числителе являются дифференциальными коэффициентами передачи токов эмиттеров:

(6.11)

(6.12)

Кроме того, из-за сравнительно слабой зависимости обратного (ге­нерационного) тока от напряжения можно пренебречь первым слагаемым в знаменателе. Тогда вместо (6.10) можно.написать

(6.13)

Знаменатель (6.13) хотя и изменяется, но остается конечным, поэто­му условием существования тока переключения (а), для которого по определению dU/dI = 0, из (6.13) будет

(6.14)

Строго говоря, надо проверить функцию U = f(I) в точке а на экстре­мальность. Для максимума должно выполняться дополнительное требование, чтобы < 0. Используя для нахождения второй производной (6.13), получаем дополнительное к (6.14) условие

(6.15)

Физический смысл условия (6.14) состоит в следующем. Если ток во внешней цепи, равный току через эмиттерные переходы, увеличива­ется по какой-то причине (например, из-за увеличения напряжения источника питания или уменьшения сопротивления нагрузки) на , то при выполнении условия M( + )=1 из-за транзисторного эф­фекта ток коллекторного перехода также возрастет на такую же величину . Так обеспечивается одинаковость нового значения тока в последовательной цепи р-n-переходов структуры при преж­нем токе , т.е. при неизменном напряжении на коллекторном пе­реходе , чему соответствует вертикальный участок ВАХ около точки а на рис. 6.3. Дополнительное условие (6.15) математически означает, что в точке переключения, если она является экстремаль­ной, сумма дифференциальных (или малосигнальных) коэффици­ентов передачи должна возрастать при увеличении тока I. Но тогда из условия (6.14) следует, что значение М при прохождении через точку переключения должно уменьшиться. Физически последнее возможно только при уменьшении обратного напряжения на сред­нем переходе , а это означает, что ВАХ после точки переключе­ния а должна пойти влево, создавая участок II ВАХ на рис. 6.3. Пос­леднее и наблюдается экспериментально.

Участок II. Продолжающийся после переключения рост тока со­провождается дальнейшим увеличением и и их суммы так, что теперь вместо условия (6.14) следует писать неравенство M( + )>1. Это неравенство означает, что приращение тока в коллекторном переходе станет больше приращения токов в эмиттерных переходах и , т.е. приращения тока во внешней цепи тиристора, что приведет к неравенству токов на различных участках последовательной цепи. Однако в действительности ра­венство быстро восстанавливается. Объясняется это следующим. Дырки, инжектированные из эмиттера (р₂-область) проходят через «свою» базовую область и ускоряющим полем коллекторного пере­хода переносятся в «свою» коллекторную область, заряжая ее положительно. В результате такого нарушения электрической нейт­ральности областей происходит понижение потенциального барьера среднего перехода . Это можно трактовать как результат нейтра­лизации приходящими основными носителями противоположного по знаку заряда ионов в приграничных слоях перехода . При этом происходит уменьшение ширины перехода, которое сопровожда­ется снижением тока генерации в переходе .

Понижение потенциального барьера обратно включенного р-n-перехода означает уменьшение напряжения на нем и сопро­вождается уменьшением коэффициента лавинного умножения, т.е. уменьшением тока через переход. Снижение , ширины перехо­да, тока и М прекратится, когда ток через средний переход станет равным току через эмиттерные переходы, т.е. когда устано­вится в цепи стационарный ток, одинаковый во всех переходах. Рост тока при понижении напряжения на приборе после точки переключе­ния означает появление отрицательной производной dI/dU, а следо­вательно, и отрицательного дифференциального сопротивления dU/dI. Однако экспериментальное наблюдение статической харак­теристики на участке с отрицательным сопротивлением возможно только при выполнении определенного условия, обеспечивающего устойчивую работу прибора, т.е. отсутствие самопроизвольного пе­рехода из одного режима в другой, из одной точки ВАХ в другую.

Устойчивость обеспечивается, если сопротивление нагрузки на­столько больше модуля отрицательного сопротивления, что нагру­зочная прямая, проходящая через точку А на оси напряжений U=E через точку N на оси тока Е/Rн, пересекает участок в одной точке и не пересекает других участков ВАХ, как показано на рис. 6.4. Иде­альным является использование генераторов тока (эталонов тока), в которых ток не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. В этом случае вместо нагрузочной прямой AN следует рисовать го­ризонтальные линии A'N', соответствующие различным устанавли­ваемым значениям тока с помощью генератора тока. Увеличивая этот ток, проследим весь участок с отрицательным сопротивлением, так как сможем измерить ток и напряжение U на тиристоре в любой точке этого участка.

На этом участке есть точка b, для которой ширина среднего пе­рехода окажется равной равновесной ширине, соответствующей нулевому напряжению перехода =0. Будем считать, что в этой точке еще сохраняются транзисторные соотношения и можно при­менять уравнение (6.6). При =0 в переходе нет обратного тока ( = 0), а М= 1. Поэтому из (6.6) можно написать условие для точ­ки b 1 –( + ) =0 или + = 1. Таким образом, состояние, когда =0, наступает при равенстве единице суммы интегральных ко­эффициентов передачи (в отличие от точки переключения а, для ко­торой единице равна сумма дифференциальных коэффициентов передачи). На рис. 6.5 показаны зависимости этих сумм от тока I. Так как по определению в (6.11) и (6.12) дифференциальные коэф­фициенты больше интегральных, то точке переключения а соответ­ствует ток переключения , меньший, чем ток при = 0 в точке b.

Конечной точкой участка II ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением является точка с на рис. 6.3, точка минимума зависимости U = f(I), где dU/dI = 0. Ток, соответствую­щий этому условию, называют током удержания , точку с – точкой удержа­ния, а напряжение на тиристоре – на­пряжением удержания . Остановим­ся на физических процессах, приводящих к появлению точки с. После прохождения точки b увеличение тока в цепи тиристора бу­дет по-прежнему снижать высоту потенциального барьера сред­него перехода и уменьшать его ширину по сравнению с состояни­ем равновесия этого перехода. Но теперь это означает появле­ние на этом переходе прямого напряжения. Все три перехода ока­зываются включенными в прямом направлении, а суммарное на­пряжение на тиристоре уменьшается, так как напряжение на сре­днем переходе противоположно по знаку напряжению на эмиттерных переходах и . Точке удержания соответствует наименьшее напряжение на тиристоре: оно меньше суммы на­пряжений на эмиттерных переходах и . При прямом включе­нии всех переходов составные транзисторы и на рис. 6.2 работают в режиме насыщения. Из коллекторных областей этих транзисторов идет встречная инжекция носителей в их базовые области. Формулы, приводимые ранее, теперь оказываются не­применимыми, и расчет тока в цепи тиристора усложняется и должен проводиться по уравнениям Эберса и Молла (см. § 5.2).

Аналитическая расшифровка условия границы участка II dU/dI=0 через параметры тиристора приводит к сложному выра­жению. Поэтому часто в первом приближении считают, что точки b и с на ВАХ (см. рис. 6.3) совпадают, т.е. для точки с приближен­но выполняется условие ( + ) = 1.

Участок III характеризует изменение тока в тиристоре после точки удержания с. На этом участке все три перехода имеют пря­мое включение и тиристор можно рассматривать как три диода, включенные последовательно. ВАХ такой системы (участок III) должен быть более крутой, чем у обычного диода. Участок III с большими токами и малым напряжением соответствует состоя­нию тиристора «открыто».

Участок IV соответствует обратному включению тиристора (по­лярность источника питания на рис. 6.1 изменена на обратную). В этом случае все переходы имеют обратное включение и вся цепь эк­вивалентна последовательному включению трех диодов с обрат­ным напряжением. Очевидно, что участок IV ВАХ будет походить на обратную ветвь ВАХ обычного диода, а при достаточно большом напряжении возможен пробой одного из переходов.