Динистор

Не следует путать с диодом Шоттки.

Дини́стор (другие названия: дио́дный тири́стор, дио́д Шо́кли) — полупроводниковый прибор (элемент) с двумя выводами и 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 когда прямое напряжение на приборе превышает напряжения отпирания.

Широко используется в силовой полупроводниковой электронике в качестве ключа. Продолжается создание новых конструкций динисторов.

Принцип действия

Структура (а.), схема замещения (б.) и условное графическое обозначение (в.) динистора

В динисторе имеются четыре полупроводниковых слоя и три p-n-перехода. Крайние области именуются эмиттерами, внутренние — базами. Соответственно крайние p-n-переходы нарекают эмиттерными, а внутренний — коллекторным. Динистор имеет два электрода: катод (со стороны n-эмиттера) и анод (со стороны p-эмиттера).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) динистора, как и ВАХ тиристора S-образная. Динистор обладает бистабильностью по току в интервале напряжений от напряжения удержания $U_{H}$ до напряжения включения $U_{S}$. В этом интервале одному и тому же значению напряжения соотвествуют два состояния динистора с разными значениями тока: запертое и проводящее (открытое). В запертом состоянии напряжение в основном приложено к обратно смещённому коллекторному p-n-переходу, и концентрация неосновных носителей в базах незначительна. В проводящем состоянии все три p-n-перехода имеют прямое смещение (т. е. открыты), — 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). Разность потенциалов на базовых областях в этом режиме может существенно превосходить смещение на p-n-переходах.

Типичная вольт-амперная характеристика динистора.
$U_{S},~I_{S}$ — напряжение и ток включения;
$U_{H},~I_{H}$ — напряжение и ток удержания;
$U_{Z}$ — 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 (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 $Q_{S},$ характеризующий конкретную p-n-p-n-структуру. Критический заряд $Q_{S}$ 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 $U_{S},$ при уменьшении тока через прибор остается в открытом состоянии до достижения напряжения удержания $U_{H},$ причём $U_{H}<U_{S}.$

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

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

Применение

«Скульптура»-динистор, США

В 1950-е годы динистор явился одним из первых полупроводниковых приборов использующих кремний (не германий), в Калифорнии установлен монумент в виде художественного скульптурного изображение динистора этому прибору в связи с исторической значимостью его изобретения.

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

С 1990-х годов в слаботочной схематехнике вытеснен такими элементами как, например, диак.

в настоящее время динисторы используются преимущественно в силовой полупроводниковой электронике, для чего разрабатываются новые конструкции динисторов, а также принципы и способы подачи напряжения.

Мощные динисторы

Основная статья: Реверсивно включаемый динистор

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 p-n-переходов приборов. При этом должен использоваться особый способ перевода прибора в открытое состояние.

Так, в реверсивно включаемом динисторе (РВД) — 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. Такой механизм открытия динистора подобен управлению тиристора по управляющему электроду, — преимуществом является одновременность включения сразу по всей площади полупроводниковой структуры.

Силовые динисторы в настоящее время изготавливаются из кремния. Также исследуется возможность использования карбида кремния (SiC) для применения при высоких температурах.

Схемотехнические символы

Единого общепринятого обозначения динистора на принципиальных электрических схемах нет. По ГОСТ 2.730-73 условное графическое обозначение динистора — перечёркнутый символ диода. Некоторые варианты символов представлены ниже:

• 
• 
  ГОСТ 2.730-73, Klaus Beuth: Bauelemente
• 
• 

Некоторые из условных графических обозначений динистора образованы начертанием цифры 4, — по количеству слоёв в структуре. Это видно, если повернуть 1-й и 3-й слева рисунки на 180° (см. также фото «памятника» динистору).