Бикситор: устройство и принцип работы¶

Бикситор — это полупроводниковый прибор с нелинейной вольт-амперной характеристикой, симметричной относительно начала координат, который используется для ограничения перенапряжений в электрических цепях. Прибор относится к классу варисторов, однако отличается от них более высокой скоростью срабатывания и меньшей паразитной ёмкостью, что делает его пригодным для защиты высокочастотных и импульсных цепей. Термин происходит от английского bixistor (сокращение от bidirectional и transistor), что отражает его двухполярную природу и транзисторный механизм переключения.

¶Устройство и принцип действия

Бикситор представляет собой трёхслойную полупроводниковую структуру типа n-p-n или p-n-p с двумя выводами, присоединёнными к крайним областям. В отличие от динистора, который имеет четырёхслойную структуру и включается при превышении напряжения, бикситор функционирует на основе эффекта модуляции проводимости в базовой области. В исходном состоянии (при малом напряжении) прибор обладает высоким сопротивлением, поскольку переходы смещены в обратном направлении. При достижении порогового напряжения, называемого напряжением переключения, происходит лавинный пробой одного из переходов, что приводит к резкому снижению сопротивления до единиц ом и переводу прибора в проводящее состояние.

Симметричность характеристики достигается за счёт идентичной конструкции обоих переходов и специального легирования. В отличие от варистора, где ток зависит от напряжения по степенному закону, бикситор имеет S-образную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Это означает, что после срабатывания напряжение на приборе падает, а ток ограничивается внешним сопротивлением цепи. Возврат в непроводящее состояние происходит при снижении тока ниже тока удержания.

¶История создания

Бикситор был разработан в середине 1960-х годов в СССР в рамках работ по созданию быстродействующих ограничителей перенапряжений для радиоэлектронной аппаратуры. Первые публикации, описывающие прибор, появились в отечественных научно-технических журналах в 1968–1970 годах. Авторами разработки считаются сотрудники Научно-исследовательского института полупроводниковых приборов (НИИ ПП) в Томске под руководством профессора И. В. Грехова. Необходимость в таком приборе возникла в связи с развитием импульсной техники и радиолокации, где требовалась защита чувствительных входных каскадов от мощных электромагнитных помех.

Первоначально бикситоры изготавливались на основе германия, позднее — кремния. Промышленный выпуск был освоен на нескольких предприятиях электронной промышленности СССР, однако широкого распространения прибор не получил из-за сложности технологии и появления более совершенных защитных устройств на основе лавинных диодов и специализированных интегральных схем.

¶Основные характеристики

Ключевыми параметрами бикситора являются:

• Напряжение переключения — значение напряжения, при котором происходит переход из закрытого состояния в открытое. Для различных типов составляет от 10 до 300 вольт.
• Ток удержания — минимальный ток, при котором прибор остаётся в проводящем состоянии. Обычно лежит в диапазоне от единиц до десятков миллиампер.
• Остаточное напряжение — напряжение на приборе в открытом состоянии при протекании максимального импульсного тока.
• Время переключения — не превышает единиц наносекунд, что является основным преимуществом перед варисторами (у которых время срабатывания составляет десятки наносекунд).
• Паразитная ёмкость — значительно ниже, чем у варисторов аналогичного класса (обычно менее 10 пФ), что позволяет использовать прибор в высокочастотных цепях без существенного искажения сигнала.

Рабочий диапазон температур обычно составляет от −60 до +85 °C. Приборы способны выдерживать многократные импульсные воздействия с энергией до нескольких джоулей.

¶Применение

Основная область применения бикситоров — защита радиоэлектронной аппаратуры от импульсных перенапряжений, возникающих при коммутациях, разрядах статического электричества и электромагнитных импульсах. Благодаря малой ёмкости и высокому быстродействию, бикситоры устанавливались во входных цепях:

• приёмников и передатчиков радиолокационных станций;
• измерительной аппаратуры и осциллографов;
• аппаратуры связи, работающей на высоких частотах;
• бортовой электроники летательных аппаратов.

В отличие от газоразрядников, которые требуют времени на деионизацию, и варисторов, имеющих значительную ёмкость, бикситор обеспечивает практически мгновенное ограничение перенапряжения с минимальным влиянием на полезный сигнал в нормальном режиме работы. Это свойство делало его незаменимым для защиты высокочастотных трактов, где применение других компонентов было затруднено.

В современной электронике бикситоры в значительной степени вытеснены кремниевыми ограничителями напряжения (супрессорами) и TVS-диодами, которые проще в производстве и имеют более стабильные характеристики. Тем не менее, в ряде специализированных применений, требующих сочетания сверхвысокого быстродействия и низкой ёмкости, бикситоры продолжают использоваться в составе гибридных защитных устройств.

¶Достоинства и недостатки

К преимуществам бикситоров относятся:

• высокая скорость срабатывания (единицы наносекунд);
• симметричная характеристика, обеспечивающая защиту от перенапряжений обеих полярностей;
• низкая паразитная ёмкость;
• способность выдерживать повторяющиеся импульсные нагрузки;
• малые габариты и масса.

Недостатками прибора являются:

• относительно высокая стоимость и сложность изготовления;
• разброс параметров от экземпляра к экземпляру, достигающий 20–30 %;
• зависимость напряжения переключения от температуры;
• невозможность точной установки порога срабатывания.

¶Интересные факты

Бикситор является одним из немногих полупроводниковых приборов, разработанных в СССР и не имевших прямых зарубежных аналогов на момент создания. В западной литературе аналогичные устройства описывались лишь в конце 1970-х годов под названием thyristor surge protectors. В советской научной периодике бикситору посвящалось значительное количество публикаций, однако в учебную литературу по полупроводниковым приборам он вошёл ограниченно, уступив место более универсальным динисторам и тиристорам.