7.2. Диодные и триодные тиристоры

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (U_вкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p₁-n₁-p₂-n₂ c тремя p-n-переходами (П₁- П₃).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p₁-n₁-p₂. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p₂, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n₂-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения U_обр переходы П₁ и П₃ закрыты, П₂ – открыт. Падение напряжения на переходе П₂ мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение U_обр распределяется равномерно между переходами П₁ и П₃.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p₂ и n₂ делается намного выше концентрации примесей в слоях p₁ и n₁, поэтому переход П₃ получается узким. С приложением обратного напряжения переход П₃ вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П₁.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П₁ или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П₁ и П₃ открыты, переход П₂ закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления I_у = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p₁-n₁-p₂ в виде транзистора VT1, а структуру n₂-p₂-n₁ в виде транзистора VT2. При этом переходы П₁ и П₃ будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П₂ будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи I_э1 и I_э2, а коэффициенты передачи этих токов – α₁ и α₂.

Из-за большого сопротивления перехода П₂ тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n₁ и p₂. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П₁ и П₃) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n₁ и p₂. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n₂) переходят в базу (слой p₂), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n_1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p₂ избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П₂ в области n₁ имеется положительный заряд, а в области p₂ – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n₁ и дырки в слое p₂, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_пр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом U_пр достигнет значения напряжения включения U_вкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П₂ станет незначительным (как у переходов П₁ и П₃). На рис. 7.3 значение напряжения включения U_вкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

I_к1 = ₁I_э1;

I_к2 = ₂I_э2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – I_ко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

I_кол = I_к1 + I_к2 + I_ко = ₁I_э1 + ₂I_э2 + I_ко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

I_А = I_к = I_э1 = I_э2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах ₁ и ₂ значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток I_А получается сравнительно небольшим. С увеличением тока ₁ и ₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I_А. При некотором токе, являющимся током включения I_вкл, сумма ₁ + ₂ становится равной единице и ток I_А возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки R_н (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока I_А неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления I_у тиристор будет всегда открываться при напряжении включения U_вкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения U_вкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + U_упр возрастает значение тока управления I_у. Ток управления приводит к движению электронов из области n₂ в область p₂. Для области p₂ электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П₂ действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения U_пр меньшем, чем значение напряжения включения U_вкл. У тиристора растет значение ₂, сумма ₁ + ₂ стремится к единице при напряжении U_пр < U_вкл. Значения тока I_у – единицы миллиампер, при этом значения тока I_А достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений U_вкл и I_у (U_вкл1 и I_у1; U_вкл2 и I_у2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении I_у, а закроется при условии, что ток анода I_А будет меньше тока удержания I_уд.