Динистор

Дини́стор (другие названия: дио́дный тири́стор, дио́д Шо́кли, не путать с диодом Шоттки) — полупроводниковый прибор с двумя выводами, представляющий собой полупроводниковую p-n-p-n-структуру и обладающий S-образной вольт-амперной характеристикой при приложении рабочей полярности внешнего напряжения.

Динисторы типа 2Н102Г производства СССР на плате

Функционирует как тиристор, но не имеет управляющего электрода, включение в проводящее состояние происходит при превышении прямого напряжения на приборе свыше напряжения отпирания.

Широко используется в силовой полупроводниковой электронике в роли ключа; продолжают создаваться новые конструкции динисторов.

Принцип действияПравить

Структура (а.), схема замещения (б.) и условное графическое обозначение^[1] (в.) динистора

В динисторе имеются четыре полупроводниковых слоя и три p-n-перехода^[2]. Крайние области именуются эмиттерами, внутренние — базами, крайние p-n-переходы носят название эмиттерных, а внутренний — коллекторного. Прибор имеет два электрода: катод (со стороны n-эмиттера) и анод (со стороны p-эмиттера).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) динистора, как и ВАХ тиристора, S-образна. Динистор обладает бистабильностью по току в интервале напряжений от напряжения удержания $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $U_{H}$ до напряжения включения $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $U_{S}$ . В этом интервале одному и тому же значению напряжения отвечают два состояния прибора с разными значениями тока: запертое и проводящее. В запертом состоянии напряжение в основном приложено к обратно смещённому коллекторному p-n-переходу, концентрация неосновных носителей в базах незначительна. В проводящем состоянии все три p-n-перехода имеют прямое смещение, в базы инжектируются неосновные носители. При достаточно высокой плотности тока прибор работает подобно диоду с длинной базой при прямом смещении: базовые области заполнены электронно-дырочной плазмой с высокой концентрацией носителей заряда, инжектируемой из эмиттеров. Падение напряжения на базовых областях в этом режиме может существенно превосходить смещение на p-n-переходах.

Типичная вольт-амперная характеристика динистора.

\text{[math]}

U_{S},~I_{S}

— напряжение и ток включения;

\text{[math]}

U_{H},~I_{H}

— напряжение и ток удержания;

\text{[math]}

U_{Z}

— максимально допустимое напряжение при обратной (нерабочей) полярности.

Механизм бистабильности динистора такой же, как у тиристора. Этот механизм определяется нелинейным взаимодействием трёх p-n-переходов p-n-p-n-структуры. Переход к проводящему состоянию связан с изменением полярности смещения коллекторного перехода с обратного на прямое при увеличении плотности тока. Механизм взаимодействия трёх р-n-переходов поясняет двухтранзисторная модель^[2] (см. рисунок и также в статье Тиристор), в этой модели p-n-p-n-структура представлена как два «составных» p-n-p и n-p-n транзистора в соответствии с показанной на рисунке эквивалентной схемой динистора. Двухтранзисторная модель связывает напряжение включения U_S с коэффициентами передачи по току «составных» транзисторов.

Для включения динистора, как и тиристора, в базы p-n-p-n-структуры необходимо внести избыточные неосновные носители — так называемый «запускающий», или «управляющий», заряд. Величина этого заряда должна превосходить критический заряд $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{S},$ характеризующий конкретную p-n-p-n-структуру. Критический заряд $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{S}$ имеет характерную поверхностную плотность порядка 10⁻⁶ Кл/см². В отличие от тиристора, динистор не имеет управляющего электрода, позволяющего ввести управляющий заряд с помощью тока управляющего электрода. Поэтому для переключения динистора на практике применяются другие методы. К ним относится, в частности, повышение напряжения на коллекторном переходе.

С S-образной ВАХ связано явление гистерезиса: при увеличении напряжения прибор находится в запертом состоянии до достижения напряжения включения $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $U_{S},$ при уменьшении тока через прибор остается в открытом состоянии до достижения напряжения удержания $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $U_{H},$ причём $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $U_{H}<U_{S}.$

Для экспериментального наблюдения этого явления ток через динистор необходимо ограничивать последовательно включённым омическим сопротивлением. Два состояния прибора заданы пересечением ВАХ и нагрузочной прямой.

Для динистора, как и других приборов с S-образной ВАХ, характерно нежелательное явление шнурования тока^[3].

ПрименениеПравить

«Скульптура»-динистор, США

В 1950-е годы динистор явился одним из первых полупроводниковых приборов использующих кремний (не германий)^[4]^[5], в Калифорнии установлен «памятник» этому прибору в связи с его исторической значимостью.

Много лет широко использовался в схемотехнике в качестве ключа, например, для создания импульса отпирания тиристора в схемах управления тиристорами. Благодаря простоте конструкции и дешевизне считался идеальным элементом в схеме тиристорного регулятора мощности или импульсного генератора.

С 1990-х годов был вытеснен для слаботочных применений такими элементами как диак.

Ныне динисторы используются преимущественно в силовой полупроводниковой электронике: для этого разрабатываются новые конструкции динисторов, а также принципы подачи напряжения.

Мощные динисторыПравить

Специфика мощных динисторов состоит в ряде конструктивных особенностей и выборе параметров полупроводниковых слоёв, в том числе слабом легировании баз для повышения напряжения включения и большой площади переходов приборов. При этом должен использоваться особый способ перевода прибора в открытое состояние.

Так, в реверсивно включаемом динисторе (РВД)^[6] — силовом импульсном приборе — сначала подаётся слабый импульс тока с обратной (то есть нерабочей) полярностью, когда базы, в первую очередь n-база, заполняются электронно-дырочной плазмой через прямосмещённый коллекторный переход. После этого, уже при рабочей полярности, включение динистора происходит легче, чем без предварительной подачи импульса с обратной полярностью, механизм открытия подобен управлению тиристора по управляющему электроду. Преимуществом является одновременность включения сразу по всей площади полупроводниковой структуры.

Такие приборы в настоящее время изготавливаются из кремния; также обсуждается возможность использования карбида кремния (SiC) для применения при высокой температуре.

Схемотехнические символыПравить

Для динистора на принципиальных электрических схемах в иностранной литературе нет единого общепринятого обозначения. По ГОСТ 2.730-73 условное графическое обозначение динистора - перечёркнутый символ диода^[1]. Некоторые варианты символов представлены ниже:

^[7]
ГОСТ 2.730-73, Klaus Beuth: Bauelemente^[8]
^[8]^[4]
^[9]

Некоторые из условных графических обозначений динистора образованы начертанием цифры 4, — по количеству слоёв в структуре^[4]. Это видно, если повернуть третий слева рисунок на 180 ° (см. также фото «памятника» динистору).

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ГОСТ 2.730-73 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые. (неопр.) Дата обращения: 13 июня 2021. Архивировано 13 июня 2021 года.
↑ ¹ ² Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Книга 1. (неопр.) М.:Мир (1984). — см. гл. 4, разд. «Диодный и триодный тиристоры», с. 221.. Дата обращения: 18 мая 2020. Архивировано 27 марта 2022 года.
↑ Варламов И. В., Осипов В. В. // Шнурование тока в p-n-p-n-структурах // ФТП, т. 3, вып. 7, с. 950—958 (1969).
↑ ¹ ² ³ Photo Essay — Shockley 4 Layer Diodes Архивная копия от 11 октября 2018 на Wayback Machine. Transistor Museum (англ.).
↑ Джентри Ф., Гутцвиллер Ф., Голоньяк Н., Застров, фон Э. // Управляемые полупроводниковые вентили: Принципы действия и области применения p-n-p-n-устройств // М.: «Мир», пер. с англ. 1967, 456 с.
↑ Тучкевич В. М., Грехов И. В. // Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами // Л.: Наука : Ленингр. отделение АН СССР, ISBN 5-02-024559-3 (1988).
↑ Elektrotechnik – Elektronik – Grundlagen und Begriffe. VEB Fachbuchverlag, 1984. (нем.)
↑ ¹ ² Klaus Beuth: Bauelemente (= Elektronik. Band 2). 17. Auflage. Vogel Fachbuch, Waldkirch 2003, ISBN 3-8023-1957-5
↑ Hans-Joachim Fischer: amateurreihe electronica: Einführung in die Dioden und Transistortechnik Teil 1: Diodentechnik. Deutscher Militärverlag, Berlin 1970, S. 117. (нем.)

[ГОСТ_2.730-73-1] ¹ ² ГОСТ 2.730-73 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые. (неопр.) Дата обращения: 13 июня 2021. Архивировано 13 июня 2021 года.

[sze2-2] ¹ ² Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Книга 1. (неопр.) М.:Мир (1984). — см. гл. 4, разд. «Диодный и триодный тиристоры», с. 221.. Дата обращения: 18 мая 2020. Архивировано 27 марта 2022 года.

[3] Варламов И. В., Осипов В. В. // Шнурование тока в p-n-p-n-структурах // ФТП, т. 3, вып. 7, с. 950—958 (1969).

[semiconductormuseum-4] ¹ ² ³ Photo Essay — Shockley 4 Layer Diodes Архивная копия от 11 октября 2018 на Wayback Machine. Transistor Museum (англ.).

[5] Джентри Ф., Гутцвиллер Ф., Голоньяк Н., Застров, фон Э. // Управляемые полупроводниковые вентили: Принципы действия и области применения p-n-p-n-устройств // М.: «Мир», пер. с англ. 1967, 456 с.

[6] Тучкевич В. М., Грехов И. В. // Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами // Л.: Наука : Ленингр. отделение АН СССР, ISBN 5-02-024559-3 (1988).

[veb_1984-7] Elektrotechnik – Elektronik – Grundlagen und Begriffe. VEB Fachbuchverlag, 1984. (нем.)

[vogel-8] ¹ ² Klaus Beuth: Bauelemente (= Elektronik. Band 2). 17. Auflage. Vogel Fachbuch, Waldkirch 2003, ISBN 3-8023-1957-5

[fischer-9] Hans-Joachim Fischer: amateurreihe electronica: Einführung in die Dioden und Transistortechnik Teil 1: Diodentechnik. Deutscher Militärverlag, Berlin 1970, S. 117. (нем.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]