Dinistor

Dinistor (jiné názvy: diodový tyristor , Shockleyova dioda , nezaměňovat se Schottkyho diodou) je polovodičové zařízení se dvěma vodiči, které je polovodičovou strukturou pnpn a má charakteristiku proudového napětí ve tvaru písmene S, když je pracovní polarita je přivedeno externí napětí.

Funguje jako tyristor , ale nemá řídicí elektrodu, k přepnutí do vodivého stavu dojde, když propustné napětí na zařízení překročí spouštěcí napětí.

Široce používaný ve výkonové polovodičové elektronice jako klíč ; stále vznikají nové designy dinistorů.

Jak to funguje

Dinistor má čtyři polovodičové vrstvy a tři pn přechody [2] . Vnější oblasti se nazývají emitory , vnitřní oblasti se nazývají báze, nejvzdálenější pn přechody se nazývají emitor a vnitřní se nazývá kolektor. Zařízení má dvě elektrody: katodu (ze strany n-emitoru) a anodu (ze strany p-emitoru).

Charakteristika proudového napětí (CVC) dinistoru, stejně jako CVC tyristoru , má tvar S. Dinistor má proudovou bistabilitu v rozsahu napětí od přídržného napětí po spínací napětí . V tomto intervalu dva stavy zařízení s různými hodnotami proudu odpovídají stejné hodnotě napětí: uzavřený a vodivý. Ve vypnutém stavu je napětí aplikováno především na reverzně předpjatý kolektor pn přechod, koncentrace minoritních nosičů v bázích je zanedbatelná. Ve vodivém stavu jsou všechny tři pn spoje předepjaté a menšinové nosiče jsou vstřikovány do základen. Při dostatečně vysoké proudové hustotě zařízení funguje jako dioda s dlouhou bází s dopředným předpětím: oblasti báze jsou vyplněny plazmatem s elektronovými dírami s vysokou koncentrací nosičů náboje vstřikovanými z emitorů. Pokles napětí v základních oblastech v tomto režimu může výrazně převýšit předpětí na přechodech pn.

Mechanismus bistability dinistoru je stejný jako u tyristoru. Tento mechanismus je určen nelineární interakcí tří pn přechodů struktury pnpn. Přechod do vodivého stavu je spojen se změnou polarity předpětí kolektorového přechodu z reverzního na přímý s rostoucí proudovou hustotou. Mechanismus interakce tří p-n přechodů je vysvětlen na dvoutranzistorovém modelu [2] (viz obrázek a také v článku Tyristor ), v tomto modelu je struktura pnpn prezentována jako dva „složené“ tranzistory pnp a npn v souladu s ekvivalentním obvodem dinistoru znázorněným na obrázku . Dvoutranzistorový model dává do souvislosti spínací napětí US s koeficienty přenosu proudu "kompozitních" tranzistorů.

Pro zapnutí dinistoru, stejně jako tyristoru, je nutné zavést do bází pnpn struktury přebytečné menšinové nosiče - tzv. "startovací" nebo "řídící" náboj. Hodnota tohoto náboje musí překročit kritický náboj charakterizující specifickou strukturu pnpn. Kritický náboj má charakteristickou povrchovou hustotu řádově 10 −6 C/cm 2 . Na rozdíl od tyristoru nemá dinistor řídicí elektrodu, která umožňuje zavést řídicí náboj pomocí proudu řídicí elektrody. Pro spínání dinistoru se proto v praxi používají jiné metody. Mezi ně patří zejména zvýšení napětí na kolektorovém přechodu.

Fenomén hystereze je spojen s CVC ve tvaru písmene S : při zvýšení napětí je zařízení ve vypnutém stavu, dokud není dosaženo zapínacího napětí, při poklesu proudu zařízením zůstává v otevřeném stavu, dokud navíc je dosaženo přídržného napětí

Pro experimentální pozorování tohoto jevu musí být proud dinistorem omezen sériově zapojeným ohmickým odporem. Dva stavy zařízení jsou dány průsečíkem VAC a zatěžovací čáry .

Pro dinistor, stejně jako další zařízení s CVC ve tvaru písmene S, je charakteristický nežádoucí jev současného šněrování [3] .

Aplikace

V 50. letech 20. století byl dinistor jedním z prvních polovodičových zařízení využívajících křemík (nikoli germanium ) [4] [5] , „památník“ tohoto zařízení byl pro jeho historický význam postaven v Kalifornii .

Po mnoho let se široce používá v obvodech jako klíč , například pro vytvoření odblokovacího impulsu tyristoru v řídicích obvodech tyristoru. Vzhledem k jednoduchosti konstrukce a nízké ceně byl považován za ideální prvek v obvodu tyristorového regulátoru výkonu nebo pulzního generátoru.

Od 90. let 20. století byl u slaboproudých aplikací nahrazen prvky, jako je Diac .

Nyní se dinistory používají hlavně ve výkonové polovodičové elektronice: k tomu se vyvíjejí nové konstrukce dinistorů a také principy napájení.

Výkonné dinistory

Specifikum výkonných dinistorů spočívá v řadě konstrukčních prvků a volbě parametrů polovodičových vrstev, včetně lehkého dopování bází pro zvýšení zapínacího napětí a velké plochy přechodů zařízení. V tomto případě je nutné použít speciální způsob převodu zařízení do otevřeného stavu.

Takže v reverzně spínaném dinistoru (RVD) [6]  - výkonovém pulzním zařízení - je nejprve přiveden slaboproudý pulz s obrácenou (tj. nepracovní) polaritou, kdy jsou báze, především n-báze, naplněné plazmatem elektronových děr přes dopředně předpjatý kolektorový přechod. Poté, již při pracovní polaritě, je zapnutí dinistoru snazší než bez předchozího přivedení pulzu s obrácenou polaritou, mechanismus otevírání je podobný ovládání tyristoru řídicí elektrodou. Výhodou je současnost okamžitého zapnutí po celé ploše polovodičové struktury.

Taková zařízení jsou v současnosti vyráběna z křemíku; diskutováno je také použití karbidu křemíku (SiC) pro vysokoteplotní aplikace .

Symboly obvodů

Pro dinistor na schématech zapojení v zahraniční literatuře neexistuje jediné obecně přijímané označení. Podle GOST 2.730-73 je grafickým označením dinistoru symbol přeškrtnuté diody [1] . Některé možnosti postavy jsou uvedeny níže:

Některá konvenční grafická označení dinistoru jsou tvořena nápisem číslice 4, podle počtu vrstev ve struktuře [4] . To lze vidět, pokud je třetí postava vlevo otočená o 180 ° (viz také fotografie „pomníku“ k dinistoru).

Poznámky

  1. ↑ 1 2 GOST 2.730-73 ESKD Podmíněné grafické označení ve schématech. Polovodičová zařízení. . Získáno 13. června 2021. Archivováno z originálu dne 13. června 2021.
  2. ↑ 1 2 Zee S. Fyzika polovodičových součástek. Kniha 1 . M.: Mir (1984). - viz Ch. 4, sek. "Diodové a triodové tyristory", s. 221. Získáno 18. května 2020. Archivováno z originálu dne 27. března 2022.
  3. ↑ Varlamov I. V., Osipov V. V. // Současné šněrování ve strukturách pnpn // FTP , vol. 3, no. 7, str. 950-958 (1969).
  4. ↑ 1 2 3 Photo Essay – Shockley 4 Layer Diodes Archivováno 11. října 2018 na Wayback Machine . Muzeum tranzistorů  .
  5. ↑ F. Gentry, F. Gutzwiller, N. Golonyak , E. Zastrov, von E. // Řízené polovodičové ventily: Principy činnosti a aplikace pnpn zařízení // M .: Mir, přel. z angličtiny. 1967, 456 s.
  6. ↑ Tuchkevich V. M. , Grekhov I. V. // Nové principy pro spínání vysokých výkonů s polovodičovými součástkami // L .: Nauka: Leningrad. oddělení Akademie věd SSSR, ISBN 5-02-024559-3 (1988).
  7. ↑ Elektrotechnik-Elektronik-Grundlagen und Begriffe. VEB Fachbuchverlag, 1984.  (německy)
  8. ↑ 1 2 Klaus Beuth: Bauelemente (= Elektronik. Band 2). 17. Aufláž. Vogel Fachbuch, Waldkirch 2003, ISBN 3-8023-1957-5
  9. ↑ Hans-Joachim Fischer: amatérská elektronika: Einführung in die Dioden und Transistortechnik Teil 1: Diodentechnik. Deutscher Militärverlag, Berlín 1970, S. 117.  (něm.)