Четвертьволновый трансформатор

Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-n-переходами Яь У72, П3 ( 1.31).

Схема устройства тиристора ( 11.8, а) показывает, что этот полупроводниковый прибор имеет четырехслойную структуру типа р-п-р-п, в которой чередуются слои с электронной и дырочной проводимостью. Между слоями образуются р-п-пе-

Для анализа работы тиристора четырехслойную структуру целесообразно представить в виде комбинации двух транзисторов: р—п—р-типа (Ti) с эмиттерным П\ и коллекторным Я2 переходами и п—р—n-типа (Т2) с эмиттерным Я3 и коллекторным Я2 переходами ( 64, б). Транзисторы включены таким образом, что базовый вывод одного связан с коллекторным выводом другого, и наоборот, т. е. транзисторы охвачены положительной обратной связью по току. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т\ одновременно является базовым током транзистора Тч, а коллекторный ток транзистора Т2 является базовым током транзистора Т\:

Простейшим тиристором является динистор — неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа р-п-р-п ( 16.45, а). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние /7-и-переходы называются эмиттерными, а средний /?-«-переход— коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней «-областью, называется катодом, а с внешней ^-областью— анодом,

Биполярный интегральный п — р—п транзистор представляет собой четырехслойную структуру п—р — п — р ( 2.1). Наличие четвертой полупроводниковой области р-типа (подложки) приводит к возникновению паразитных элементов в интегральном транзисторе:

Тиристор представляет собой четырехслойную структуру ( 6.1, а). Резистор R служит для ограничения тока в открытом состоянии тиристора. Верхний слой р\ называется эмиттером, поэтому первый сверху р-п переход называется эмиттерным. Второй переход называется коллекторным, а третий — эмиттерным. Второй и третий слои сверху называются базовыми областями, а нижний слой — эмиттером. Верхний вывод, к которому прямой ток течет из внешней электрической цепи, называется анодным (А), нижний вывод — катодным (К).

Четырехслойную структуру тиристора можно представить в виде двух соответствующим образом соединенных транзисторов р-п-р- и п-р-п- типов ( 16.29). Как видно из схемы, к переходам П\ и Яз подведено прямое напряжение, а к переходу Я2 — обратное. Если бы не было переходов П\ и Я3, тиристор превратился бы в диод и через переход Я 2 проходил бы обратный ток /о. При наличии переходов П\ и Я3 через переход Яз проходят два дополнительных тока: коллекторный ток /„ транзистора p-n-р и коллекторный ток /К2 транзистора n-p-п. Ток /Ki создает дырки, а ток /к2 — электроны. Поэтому ток / через переход Я2, равный току через сопротивление нагрузки, можно рассматривать как сумму трех токов:

терный — на глубине около 1.6 мкм. Средняя площадь, приходящаяся на один транзистор, составляет 0,01—0,02 мм2. Усовершенствования технологии изготовления ИМС в последние годы позволили еще больше уменьшить размеры интегральных транзисторов. Глубина расположения скрытого слоя и толщина эпитаксиалъ-ного слоя уменьшены до 3 и 2 — 3 мкм соответственно. Уменьшены также глубины расположения базового и эмиттерного слоев (1,3 и 1 мкм). При этом средняя площадь, занимаемая одним транзистором, уменьшается на лорядок и составляет всего 0,001 мм2. На 2.7 показана модель участка /, представляющего собой четырехслойную структуру, охватывающую активную область базы. Верхняя часть модели описывает активное действие транзистора. Она состоит из источников тока &п1т й-т^м диодов Дзп, Дк„ (с тепловыми токами I3fn и /К75м определяемыми параметрами активной области базы) и диффузионных емкостей Сэ даф и Ск диф (учитывающих изменение заряда в базе, обусловленное модуляцией толщины базы). Диод Дэр с тепловым током 1этр, определяемым параметрами эмиттерной области (с металлическим контактом), характеризует влияние дырочной составляющей тока (т. е. тока основных носителей) на работу транзистора. Рекомбинация в области эмиттерного перехода учитывается путем введения диода Д.. Вторая часть модели, состоящая из источников тока лт,пз1юр, aTNmrKp и диодов Дкр, Дпзр и Дпз„, характеризует влияние коллекторного скрытого слоя и подложки на работу транзистора. Эта часть фактически представляет собой модель паразитного транзистора, эмиттером которого служит активная область базы, базой — скрытый слой коллектора, а коллектором — сама под-ложка. При этом коэффициенты переноса носителей ocrjm и <*TNm и характеристики диодов Дкр и Дшр определяются параметрами скрытого слоя коллектора (т. е. базы паразитного транзистора). С помощью диода Дш„, характеристики которого определяются параметрами подложки, учитывается влияние тока, образуемого потоком электронов через изолирующий р-и-переход, который граничит с подложкой. Для упрощения модели в нее не включены диффузионные емкости паразит-

Такой диод тоже представляет собой четырехслойную структуру ( 6.8, а), образующую два транзистора. Однако в данном случае вход паразитного транзистора оказывается закороченным - это коллекторный переход рабочего транзистора, При этом практически перестает сказываться активное действие паразитного транзистора, что, во-первых, приводит к заметному уменьшению тока утечки 7ут и, во-вторых, к упрощению анализа модели диоца ( 6.8,6). 216

Поясним принцип действия такой структуры. Четырехслойную структуру :pi-ni-p2-n2 Можно рассматривать как два транзистора

Двухоперационный (выключаемый) тиристор представляет собой четырехслойную структуру, которая включается подачей положительного напряжения на управляющий электрод, а выключается подачей на этот электрод отрицательного импульса. (Обычный тиристор, как правило, выключается снижением анодного тока ниже тока удержания или за счет включения анодного тока противоположного направления). Эти тиристоры широко применяют в импульсных генераторах, высокоскоростных мощных устройствах, так как они выдерживают большие напряжения в закрытом состоянии. Конструкция их подобна конструкции обычных тиристоров.

Подобная конструкция получила в радиотехнике название четвертьволнового трансформатора и широко применяется для целей согласования линий передачи с разными волновыми сопротивлениями. Рассмотрим схему, изображенную на 4.8, где для согласования двух линий, обладающих волновыми сопротивлениями ZBi и ZB2, между ними включен четвертьволновый трансформатор. Определим волновое сопротивление трансформатора ZBTp. Заметим вначале, что трансформатор в сечении а — а' нагружен на активное сопротивление ZB2) так что R'aa> =ZB2/ZBTP (нормировка проводится на неизвестное пока волновое сопротивление ZBTp). Из формулы (4.22) следует, что R'ъь> =ZBTp/ZB2 или в ненормированном виде •/?«*'=Z2BTP/ZB2. Условие согласования в точках b — b' принимает вид: Z2B Tp/ZB2=ZBb откуда

До сих пор рассматривались регулярные линии передачи, характерные тем, что их параметры, такие, как погонная индуктивность и погонная емкость, считались одинаковыми в любом сечении линии. Введение в конструкцию линии любой неоднородности нарушает ее регулярность. Нерегулярные системы, образованные каскадным включением отрезков регулярных линий, обладают полезными в практическом отношении свойствами. Одной из таких конструкций является согласующий четвертьволновый трансформатор, который был рассмотрен ранее.

Четвертьволновый трансформатор сопротивлений. При длине отрезка x = A,/4 уравнения передачи (11.19) упрощаются и принимают вид:

§ 11.24. Четвертьволновый трансформатор. Для согласования линии без потерь, имеющей волновое сопротивление ZB,, с активной нагрузкой ZH = RH Ф ZB применяют четвертьволновый трансформатор (ЧВТ). Он представляет собой отрезок линии без потерь длиной в четверть волны Я./4 с волновым сопротивлением ZB2. Сопротивление ZB2 рассчитывают так, чтобы входное сопротивление в схеме 11.9, в по отношению к точкам а и b оказалось равным ZB, (при этом на линии с ZBl практически установится режим бегущей волны):

§ 11.24. Четвертьволновый трансформатор ......................... 370

Конструктивно удается выполнить четвертьволновый трансформатор, когда сопротивления гн и г&

После включения четвертьволнового трансформатора вдоль всей линии передачи длиною / ( 3-32) получается режим чисто бегущей волны. Отражения волны в конце линии нет. На отрезке линии длиною Я/4 есть и отраженная от сопротивления нагрузки гн волна. Так как четвертьволновый трансформатор — линия без потерь, то вся мощность волны в линии передачи -поглощается сопротивлением нагрузки.

Из изложенного следует, что отрезок линии длиной К/4, замкнутый на R., > (>, является трансформатором сопротивления, понижающим его от R., до I' <СА?о. Если, например, требуется трансформировать заданное R., в /•?, •< R.it то можно применить четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением р г:--: У R1R«.

Если, например, требуется трансформировать заданное R2 в Ri > /?2, то можно применить четвертьволновый трансформатор

но: четвертьволновый трансформатор сопротивления и реактивный шунт.

2. Четвертьволновый трансформатор. Пусть требуется согласовать нагрузку Z2 и двухпроводную линию длиной /, имеющую волновое сопротивление р. Переходное устройство представляет собой отрезок двухпроводной линии длиной А/4 волновое сопротивление которогс рг отлично от р. Он включается i; провода основной линии в виде четвертьволновой вставки ( Ь.21, а — штриховая линия) на некотором расстоянии уи от нагрузке в сечение аи'. Расстояние уп соответствует одному из двух ближайших к Z» резонансных сечений линии и определяется формуле 1 (14.75). Активное сопро-