Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 9 глава


Ещё одно достоинство – отсутствие выжигания. В матрицах ПЗС накопленный заряд полностью выводится при переносе кадра. По сравнению с твёрдотельными приборами с координатной адресацией ПЗС сильно выигрывают в однородности сигнала, т.к. все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем. Помимо одинаковых для всех зарядовых пакетов коэффициентов преобразования заряд – напряжение, усилитель ПЗС характеризуется и значительно меньшим шумом по сравнению с матрицами с координатной адресацией.

Рис. 5.3

Кроме того, вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т.е. коэффициент заполнения равен 100%. Эта особенность делает эти приборы монополистами в области астрономии и вообще везде, где идёт борьба за чувствительность.

На рис. 5.3 приведена структура двухмерной матрицы ПЗС. В ней можно выделить два вертикальных регистра сдвига на ПЗС, образующих секцию накопления и секцию хранения с равным числом строк (каждая строка секции образована одной тройкой электродов), горизонтальный регистр и выходное устройство.

Однако у ПЗС есть и существенный недостаток – сам кадровый перенос занимает существенное время – доли миллисекунд. На сигнале появляется
смаз – вертикальный след от ярких участков изображения размером во весь кадр. Эта проблема радикально решается в приборах с межстрочным переносом, завоевавших доминирующее положение на рынке бытовой видеотехники (рис. 5.4).

 

 

Рис. 5.4

 

Функция накопления заряда и его переноса здесь разделены. Перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один акт и смаз не возникает; кроме того, к матрице с межстрочным переносом добавляется ещё одна секция памяти с соответствующим числом элементов, что исключает искажения, возникающие из-за попадания в каналы переноса носителей, генерируемых в глубине подложки.

По сравнению с матрицами с кадровым переносом фактор заполнения в матрицах с межстрочным переносом примерно вдвое меньше, т.к. около половины площади фоточувствительной поверхности закрыто от света. Чтобы повысить эффективность сбора фотонов, используется микрорастр – массив небольших линз (рис. 5.5).

 

 

Рис. 5.5

 

Однако приёмники изображения – это одно из применений ПЗС. Добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, получим линию задержки. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использовать плавающий затвор, характеризующийся неразрушающим считыванием, т.е. получить регистр с отводами. Такие регистры являются основой трансверсальных фильтров, широко применяющихся в обработке радиолокационных сигналов. Налажено массовое производство ПЗС для бытовой электроники – видеокамер. Революционное воздействие оказали ПЗС на астрономию, где их появление по значению сравнимо разве что с тем, которое оказало применение фотопластинок в качестве средства регистрации вместо человеческого глаза.

Требования к ПЗС, предъявляемые астрономией, особенно космического базирования, стимулировали развитие технологии их изготовления и появления уже сегодня приборов с числом элементов 4096 на 4096 и квантовым выходом около 90%. Наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс и сканер – всё это стало доступным благодаря ПЗС.

 

 

6. ТИРИСТОРЫ

 

6.1. Общие сведения о тиристорах

 

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В одном состоянии – закрытом – тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, в другом – открытом – сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток.

Структура тиристора состоит из четырёх областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 6.1, а).

 

Рис. 6.1

 

Кроме трёх выпрямляющих контактов тиристор имеет два омических перехода. Контакт с внешним p-слоем называется анодом, а с внешним n-слоем – катодом.

В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные, триодные и тетродные. Тиристор, имеющий два вывода, называется динистором, или диодным тиристором. Тиристоры, имеющие три и четыре вывода, называются триодными или тетродными. Помимо четырёхслойных структур некоторые виды тиристоров имеют большее число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симметричный тиристор (симистр), который может включаться при различных полярностях приложенного напряжения.

На рис. 6.1, б p-n-p-n-структура тиристора представлена в виде двух транзисторов, соединённых между собой, каждый из которых находится в активном режиме.

В связи с таким представлением крайние области тиристорной структуры называют эмиттерами, а примыкающие к ним p-n-переходы – эмиттерными, центральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.

Рассмотрим процессы в тиристорах при подаче внешнего напряжения.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора приведена на рис. 6.2. Пусть к аноду тиристора подано небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы П1 и П3 (см. рис. 6.1, а) включены в прямом направлении, а коллекторный переход П2 включен в обратном, поэтому почти всё приложенное напряжение падает на нём. Участок ОА вольт-амперной характеристики (см. рис. 6.2) аналогичен обратной ветви характеристики диода и характеризуется режимом прямого запирания.

 

Рис. 6.2

 

При увеличении анодного напряжения эмиттеры инжектируют основные носители в области баз. Инжектированные электроны и дырки накапливаются в них, что равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить его в прямом направлении. С увеличением тока через тиристор абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнёт уменьшаться. При этом ток будет ограничиваться только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Из закрытого состояния (участок 0А) тиристор переходит на участок АВ, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению.

После этого все три перехода смещаются в прямом направлении. Этому открытому состоянию соответствует участок ВD. Итак, в закрытом состоянии тиристор характеризуется большим падением напряжения и малым током. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1-3 В), а ток, протекающий через структуру, велик.

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Напряжение анода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния (0А) в режим, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (АВ), называется напряжением включения Uвкл. Анодный ток тиристора в режиме включения называется током включения Iвкл.

Обозначив α1 и α2 как коэффициенты передачи тока первого и второго эмиттерных переходов, запишем ток коллектора в виде

IK1IП1+ α2IП3+IKO, где IKO– собственный обратный ток коллекторного перехода.

В двухэлектродной структуре диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:

Iп1=Iп2=Iп3=Ia. (6.1)

С учётом этого анодный ток тиристора

Ia= IКО/ . (6.2)

Когда α12 стремится к единице, тиристор из закрытого состояния переходит в открытое. Ток через тиристор во время переключения должен ограничиваться сопротивлением нагрузки. Суммарное падение напряжения на включённом тиристоре составляет около 1 В. В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока коллекторный переход будет смещён в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшить, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях тиристора и коллекторный переход окажется смещённым в обратном направлении, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдёт в закрытое состояние. Минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии, является удерживающим током тиристора.

При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики двух последовательно включённых диодов. Обратное напряжение в этом случае ограничивается напряжением пробоя.

Даже при малых напряжениях и токах в каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице. Для уменьшения начального коэффициента передачи одну из базовых областей тиристора делают относительно толстой. Чтобы уменьшить коэффициент передачи тока другого транзистора, его эммитерный переход шунтируют объёмным сопротивлением прилегающей базовой области.

Шунтирование позволяет создавать тиристоры с большими значениями напряжения включения. Кроме этого, тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом будет иметь так называемую жесткую характеристику переключения, т.е. переход из закрытого состояния в открытое будет осуществляться каждый раз при одном и том же напряжении включения.

 

Триодные тиристоры

 

Триодный тиристор (тринистор) отличается от динисторов наличием внешнего вывода от одной из баз, с помощью которого можно управлять включением тиристора (рис. 6.3).

В триодном тиристоре, имеющем управляющий электрод от одной из базовых областей, уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличивать путём подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое даже при небольших анодных напряжениях (рис. 6.4).

Переключение триодного тиристора с помощью прямого напряжения на управляющем электроде или тока через этот электрод можно представить как переход транзисторной n-p-n-структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении. Напряжение включения зависит от управляющего тока.

 



Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 115;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.012 сек.