Lý thuyết bán dẫn : Thyristor và Ujt

Thyristor ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu khieån coâng suaát treân taûi, ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô… Coøn UJT ñöôïc söû duïng nhö laø linh kieän taïo xung kích cho thyristor, maïch dao ñ[r]

Bài 7 : THYRISTOR VÀ UJT

(UJT: Uni – Junction Transistor)

Đây là loại linh kiện được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn Loại linh kiện này có hai loại chính: loại thứ nhất là họ thyristor bao gồm Shockley diode, SCR, SCS, Diac và Triac; loại thứ hai là UJT

Thyristor được sử dụng để điều khiển công suất trên tải, điều khiển tốc độ động cơ… Còn UJT được sử dụng như là linh kiện tạo xung kích cho thyristor, mạch dao động và mạch định thời…

I Shockley Diode:

Shockley diode là loại thyristor 2 cực Cấu tạo của linh kiện này gồm 4 lớp bán dẫn tạo thành cấu trúc pnpn có dạng như hình vẽ

Khi đặt vào nguồn có cực như hình trên Mối nối BE của Q1 và

Q2 bị phân cực thuận và mối nối BC của Q1 và Q2 bị phân cực nghịch Khi giá trị điện áp phân cực bé

Ta có:

1

1 1 1

1

1 1

1 1

1

1

B

CBO E

E B

CBO C

E B

I I I

I I I

I

I I I I

−

−

=

−

−

=

−

−

= α

α

2 2

2

mà I B1 ≡I C2 và I A ≡I K

( 1 2)

1

2 1

α

α +

−

+

=

A

I I I

71

Mối nối 1

p p n

n nối 3Mối

Mối nối 2 Anode

Cathode

Cathode Anode

Ký hiệu

1

2

V C C

+VCC

IC2 = IB1

IA = IE1

IC1 = IB2

IK = IE2

1

2

Mạch tương đương

Q1

Q2

1 2 3

Anod e

Cathod e

trong điều kiện này, α rất bé Vì thế tại mức điện thế thấp dòng điện IA rất bé nên đây là trạng thái tắt hay khóa mở Khi VAK tăng  IA tăng dần vì thế α1 và

α2 cũng tăng lên Tại điểm α1 + α2 = 1 thì IA có giá trị rất lớn

Tại điểm VAK = VBR, các transistor bên trong bão hòa Khi đó VAK

giảm đột ngột bằng VBE + VCE(sat)

 Shockley diode vào vùng dẫn thuận (khóa đóng)

Diode tiếp tục dẫn, nó sẽ dẫn cho đến khi dòng IA giảm nhỏ hơn mức ngưỡng IH  diode tắt

Dòng điện chuyển mạch IS là giá trị của IA khi diode chuyển từ vùng phân cực thuận tắt sang vùng phân cực thuận dẫn ( IS ≤ IH )

II SCR: (Silicon – Controlled Rectifier)

SCR cũng là một loại linh kiện 4 lớp bán dẫn pnpn tương tự như Shockley diode nhưng nó có 3 cực: Anode, Cathode và Gate

SCR được sử dụng trong nhiều ứng dụng như điều khiển động cơ, mạch tạo trễ, điều khiển nhiệt độ, điều khiển pha, điều khiển relay…

Mạch tương đương của SCR:

72

IH

0 VBR

On

Off

VAK

IA

Đặc tuyến làm việc

p p n n Anode

Cathode

Gat

e

A

K

G

Ký hiệu

R → ∞ K

K

Ở trạng thái tắt

R → 0 A

K

A

K

Ở trạng thái dẫn

p p n n A

C

G

1

2

A

K

G

Q1

Q2

SCR dẫn: IG = 0, SCR giống như Shockley diode ở trạng thái tắt.

Khi kích một xung dương vào cực G, Q1 và Q2 dẫn

ID2 kích Q2 dẫn, cung cấp dòng IB1 kích Q1 dẫn Khi Q1 dẫn (dòng IC1 ≡

IB2) cung cấp IB2 cho Q2 để Q2 tiếp tục dẫn nếu không có xung kích (IG = 0) Vì vậy, ta thấy rằng Q2 dẫn bão hòa cung cấp IB1 cho Q1 Ngược lại

Giống như Shockley diode, SCR có thể dẫn mà không cần xung kích nếu như VAK > VBR (forward Breakover) Điện thế VBR càng giảm khi IG

càng tăng Dòng IG điều khiển giá trị điện áp VBR để SCR dẫn

Mặc dù VAK > VBR nhưng sẽ không phá hỏng linh kiện nếu dòng

IG bị giới hạn Nên để SCR dẫn ta chỉ cần kích 1 xung tại cực G

SCR tắt:

Sau khi kích thì IG = 0, SCR tiếp tục dẫn Dòng IA phải giảm nhỏ hơn giá trị ngưỡng IH để SCR tắt Có hai cách để SCR tắt:

 IA = 0 (ngắt dòng IA ) Bằng cách sau:

73

1

2

V C C

RA

Q2

Q1

IG = 0

G

Ta

ét

Ta

ét

K

A

RA

V C C

A

K mạchHở

1

2

V C C

RA

Q2

Q1 G

K

A

IG

IA

IB1

IB2

RA

V C C

A

K Ngắn mạch

1

2

V C C

RA

Q2

Q1

K

A

IG = 0

IA

IB1

IB2

RA

V C C

A

K Ngắn mạch G

V C C

G

RA

IA = 0

V C C

RA

IA < IH

 Chuyển mạch cưỡng bức: SCR đang dẫn, tạo dòng qua SCR theo hướng ngược lại sao cho dòng điện tổng qua SCR < IH  SCR tắt

Đặc tuyến SCR:

VBR là giá trị điện áp của VAK mà tại đó SCR vào vùng dẫn thuận VBR lớn nhất khi IG = 0, khi IG tăng lên thì VBR giảm từng bước tương ứng

74

V C C

RK G

IA

S

SCR dẫn

V C C

RK G

IA

S

SCR tắt

Vùng khóa nghịc h

Vùng khóa thuậ n

VBR

VBD IH VF (VAK)

IF

Vùng đánh thủn g

Vùng dẫn thuận

IA

VAK

IH0

IH1

IG = 0

IG1>IG 2

IG2>IG1

VBR0

VBR1

VBD

Họ đặc tuyến của SCR

IH là giá trị của dòng IA < IH để SCR chuyển từ vùng dẫn thuận sang vùng khóa thuận IH tăng khi IG giảm và lớn nhất khi IG = 0

III SCS: (Silicon – Controlled Switch)

SCS có cấu trúc giống như SCR nhưng có 2 cực điều khiển Cathode gate và Anode gate SCS có thể tắt hay dẫn tùy thuộc vào mức của xung kích vào 2 cực này

SCS dẫn: khi kích xung kích dương vào GK hoặc kích

xung âm vào GA

SCS tắt: khi SCS dẫn ta kích xung âm vào GK hoặc

kích xung dương vào GA  SCS tắt Ta có thể dùng cách

giống như SCR là làm cho IA = 0

Ứng dụng: SCR và SCS có ứng dụng tương tự nhau SCS có thời gian tắt nhanh hơn nhưng công suất dòng và áp sẽ nhỏ hơn so với SCR SCS chủ yếu trong bộ đếm, thanh ghi và mạch định thời

IV Diac và Triac:

1 Diac:

Diac có thể dẫn 2 chiều và có cấu tạo 4 lớp bán dẫn

Diac dẫn khi điện áp trên hai cực của nó > VBR ở cả hai chiều Dòng điện qua diac có chiều tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào 2 cực của nó Diac tắt khi dòng điện qua nó giảm nhỏ hơn IH

75

Ký hiệu

GA

GK A

K

1

2

GK A

K

Mạch tương đương

V C C

1

2

GA

GK A

K

Q1

Q2

VCC

n

A1

A2

p

p n

A1

A2

Cấu tạo Ký hiệu

I

V

IH -IH VBR -VBR

Đặc tuyến

1

2

1

2

Q1

Q2

Q3

Q4 A

K Mạch tương đương

Mạch tương đương:

Điện trở liên nền:

RBB = RB1 + RB2

Giá trị RB1 thay đổi nghịch đảo với dòng IE nên RB1 là 1 biến trở, giá trị của

RB1 có thể thay đổi từ vài chục Ω đến vài chục KΩ

BB B

B

R

R

V B = ×

2

1

1

Tỷ số

BB

B

R

R 1

=

η : khi V EB1<V R B1+V pn mối nối PN phân cực nghịch  IE = 0 Giá

trị điện thế VE để mối nối BE phân cực thuận được gọi là VP

pn BB

V =η + Khi VEB1 = VP, mối nối PN phân cực thuận IE # 0 Lỗ trống bên P đi qua thanh N, kéo điện tử từ cực âm của nguồn VBB vào cực nền B1 tái hợp với lỗ trống Lúc đó, hạt dẫn trong thanh n tăng cao đột ngột làm cho RB1 giảm xuống, kéo VE giảm xuống làm cho IE tăng lên

Trong khoảng này, điện áp VE bị giảm trong khi dòng điện IE lại tăng lên nên người ta gọi đây là vùng điện trở âm

Khi RB1 giảm thì điện trở liên nền RBB

cũng bị giảm và dòng điện IBB tăng

Dòng điện IE tiếp tục tăng và điện áp VE

giảm đến 1 trị số thấp nhất gọi là điện

áp thung lũng (valley voltage) thì IE và VE sẽ

tăng lên như đường đặc tuyến của diode

thông thường Vùng này gọi là vùng bão

hòa

77

Base 1

Base 2 Emitter

Mối nối

p

Cấu tạo

3

B1 Ký hiệu

B2

B1

E RB2

RB1

Mối nối pn  Diode

RB2 : điện trở mối nối của B2E

RB1 : điện trở mối nối của B1E

B2

B1

E RB2

RB1

VBB

VEB1

+

-ηVBB

IE

VP

VV

Vù ng

R <

0 Vùng bão hòa

Vùng tắt

VE

IE

IV

IP

78