10. Тиристоры

Тиристор— полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный — тринистором.

Динистор, условное обозначение которого приведено на рис. 2.6, представляет собой двухполюсную четырехслойную p-n-p-n структуру. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней п областью, называется катодом, а с внешней р-областью – анодом. С учетом знаков приложенного к структуре внешнего напряжения переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на переходе 2, который работает в режиме коллектора Рассматриваемую структуру динистора можно представить состоящей из двух транзисторов р₁-n₁-р₂ и n₂ -р₂-n₁ области п₁ и р₂ условно разделены (рис. 2.24). Переход 1 представляет собой эмиттерный переход первого транзистора, через который дырки инжектируют из области р₁ в область n₁ выполняющую роль базы для этого транзистора. Пройдя базу и коллекторный переход 2, инжектированные дырки появляются в коллекторе р₂ первого транзистора, который в то же время служит базой второго транзистора.

Этот ток определяется выражением 1_Р = 1_Рко + α₁I_н, где I_рКО – обратный дырочный ток коллекторного перехода; α₁ — коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Появление дырок в базе р₂ второго транзистора (п₂=р₂ = п₁) приводит к образованию нескомпенсированного объемного заряда. Этот заряд понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области п₂ второго транзистора в область р₂, являющуюся базой для

Рис. 2.24. Схема вклю­чения и структура динистора

Рис. 2 25. Вольт-амперные характеристики динистора и нагрузочнго резистора: I — открытое состояние;// — область отрицательного сопротивления;/// — закрытое состояние; /V — область высокого сопротиления,V — область пробоя

второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор п₁ второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (р₁-n₁-р₂). Значение электронного тока равно ,,

где 1_п ко — обратный электронный ток коллекторного перехода, α₁ — коэффициент передачи тока эмиттера-второго транзистора.

Учитывая, что дырки и электроны движутся навстречу дрм другу, суммарный ток рассматриваемой структуры , где I_Кво — обратный ток тиристора, a α_Σ —суммарный коэффициент передачи тока эмиттера.

Решая полученное выражение относительно I_н, получают

(2.25)

Как видно из (2.25), при α_Σ →1 I_н →∞. Данное условие является условием переключения динистора. Физически это означает, что при α_Σ =l инжекция электронов в область п₁ приводит к появлению нескомпенсированного объемного заряда, который, понижая высоту потенциального барьера перехода 1, вызывает встречную вторичную инжекцию дырок из области р₁ в область п_1. Далее процесс повторяется, и ток в контуре эквивалентных транзисторов лавинообразно возрастает. При изменении полярности напряжения, приложенного к рассматриваемой структуре, на обратную переходы 1 и 3 окажутся смещенными в обратном направлении. Если эти переходы достаточно высоковольтные, то ВАХ динистора имеет вид обратной ветви ВАХ диода.

Описанные процессы определяют ВАХ динистора, показанную на рис. 2.25, на прямой ветви которой можно выделить две устой­чивые зоны: область III с малыми значениями тока I_н при боль­ших значениях напряжения U_а и область отпирания I с большими течениями тока I_н при малых значениях напряжения U_а. Точки А и В соответствуют условию α_Σ =1 и называются соответственно точками включения и удержания динистора, а соответствующие им токи называются током включения (/_вкл) и током удержа­нии (I_уд). Между точками А и В лежит зона II, в которой динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивле­нием.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для схемы, показанной на рис. 2.24, имеем U_n = U_a+R_HI. Решением этого уравнения будет точка пересечения линии нагрузки R_H и ВАХ динистора (рабочая точка). Если напряжение U_a на динисторе (рис. 2.25) достигает напряжения включения U_вкл, то рабочая точка скачкообразно переходит из состояния А в А'. При уменьшении напряжения рабочая точка из В скачкообразно переходит в В'.

Обратная ветвь ВАХ динистора может быть разделена на две области IV (область обратного смещения) и V (область пробоя структуры).

Таким образом, управление током I_н динистора возможно за счет изменения значения и направления напряжения внешнего источника, приложенного между анодом и катодом прибора.

Тринистор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, в которой одна из базовых областей сделана управляющей (рис. 2.26). В зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей, различают тринистры с анодным и катодным управлением. Базовый вывод дает возможность управлять током близлежащего эмиттера. Для этого на управляющий электрод (УЭ) необходимо подать напряжение

Рис. 2.26 Схема включения Рис. 2.27. ВАХ тринистора

и структура тринистора

такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. В этом случае процессы отпирания и запирания тиристора, т. е. управление его током I_н осуществляются не за счет изменения приложенного между анодом и катодом на­пряжения внешнего источника (как у динистора), а за счет изме­нения напряжения на управляющем электроде, который является, как видно из рис. 2.26, входным электродом включенного в элект­рическую цепь тринистора.

На рис. 2.27 приведены ВАХ тринистора, а на рис. 2.6,17,18 — его условные обозначения. Как видно из рис. 2.27, с возраста­нием U_упр, а следовательно, и I_упр уменьшается напряжение вклю­чения тринистора, и при достаточно большом значении I_упр вид прямой ветви ВАХ тринистора аналогичен прямой ветви ВАХ диода.