Радиоматериалы и компоненты лекции / Л17 Тиристоры

11

СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»
НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ №5						Экз.№
полковник		В. Никулин
			199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника

для курсантов

2 –х курсов СВВИУС

Тема:

№ 8

Переключающие полупроводниковые приборы

Лекция	№ 17	Тиристоры
				Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)
								199 г.
				Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:
Время ........................	90 мин.
Учебно-материальное обеспечение
Распределение времени лекции
Вступительная часть ........................	мин.
Проверка готовности курсантов к лекции..............................	5 мин.
Учебные вопросы лекции 1. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры динистора. 2. Тринисторы и симисторы. Заключение	мин.
Задание курсантам для самостоятельной работы..................	мин.

1. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры динистора

Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию большой группы приборов с четырехслойной структурой. Это объясняется высокими качествами четырехслойных приборов:

• малыми габаритами и весом

• быстродействием

• высокой эксплуатационной надежностью

• большим сроком службы

• широким диапазоном рабочих температур

• возможностью импульсного управления и т.д.

В настоящее время на основе этих приборов созданы мощные преобразователи, выпрямители, инверторы, модуляторы и другие устройства.

Промышленность выпускает широкий класс приборов с четырехслойной структурой. Это, прежде всего - диодные и триодные тиристоры и созданные на их базе симметричные и запираемые тиристоры.

Диодный тиристор (динистор) - это двухэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий структуру p-n-p-n-типа и обладающий участком отрицательного сопротивления на статической вольтамперной характеристике.

Триодный тиристор (тринистор) - трехэлектродный прибор со структурой p-n-p-n-типа. Основное его отличие от динистора - наличие управляющего электрода.

Симметричный тиристор (симистор) - прибор с симметричной вольтамперной характеристикой, который может проводить ток в обоих направлениях. С помощью одного такого прибора решается проблема коммутации напряжения различной полярности, что позволяет уменьшить габариты и стоимость аппаратуры.

Основным элементом динистора является кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с электронной n- и дырочной p-проводимостями. Эти четыре слоя образуют три p-n перехода П1, П2 иП3. В рабочем состоянии два перехода (П1, П3) открыты (включены в прямом направлении), а средний переход П2 - в обратном направлении.

а)

б)

Рис. 1. Структура динистора (а) и его схема замещения (б)

Структура динистора n-p-n-p показана на рис. 1, а. Крайнюю область p называют анодом (А), а крайнюю область n - катодом.

Динистор можно представить в виде схемы замещения, состоящей из двух транзисторов Т1 и Т2 различных структур (p-n-p и n-p-n), соединенных так, как показано на рис. 1, б. Роль переходов П1 и П3 в этой схеме выполняют эмиттерные переходы транзисторов, а перехода П2 - коллекторные переходы обоих транзисторов.

Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2.

Область базы Б2 транзистора Т2 является коллекторной областью К1 транзистора Т1.

Соответственно этому коллекторный ток первого транзистора i_к1 является током базы второго транзистора i_б2, и наоборот — i_к2 = i_б1.

Эксперимент со схемой замещения из двух транзисторов подтвердил, что по своим свойствам она идентична диодному тиристору.

Физические процессы, протекающие в динисторе, можно представить следующим образом.

Если бы был только один переход П2, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный дрейфом через переход неосновных носителей (концентрация которых мала). Однако при взаимодействии двух переходов, например в транзисторе, как известно, может быть получен значительный коллекторный ток, являющийся тем не менее обратным током коллекторного перехода. Это становится возможным благодаря инжекции в базу большого количества неосновных носителей со стороны эмиттера. При этом, чем больше напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу, тем больше становится ток коллектора.

Напряжение на коллекторном переходе с возрастанием тока, наоборот, становится меньше, так как сопротивление его при этом уменьшается и возрастает напряжение на нагрузке, включенной в цепь коллектора.

Нечто подобное происходит и в тиристоре.

Через переходы П1 и П3, включенные в прямом направлении, в области, примыкающие к переходу П2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление этого перехода.

Вольтамперная характеристика, представленная на рис. 2, показывает, как изменяется ток через динистор при увеличении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно (участок ОА). В этом режиме тиристор можно считать закрытым.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика динистора

На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, т.к. под его влиянием основные носители уходят в разные стороны от границы, то есть растет ширина зоны, обедненной основными носителями.

С другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П1 и П3 усиливает инжекцию в области Б1 и Б2 неосновных носителей, которые подходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление.

До точки А преобладает первый процесс и сопротивление перехода П2 растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс.

Около точки А при напряжении, называемом напряжением включения U_вкл (обычно оно составляет десятки - сотни вольт), влияние обоих процессов уравновешивается. Далее даже ничтожно малое увеличение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. Возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Ток в цепи резко возрастает (участок АБ), так как уменьшение сопротивления П2 и напряжения на нем приводит к еще большему возрастанию напряжений на П1 и П3. Это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока и уменьшению сопротивления П2 и так далее.

В результате такого процесса устанавливается большой ток при малом напряжении (участок БВ). Величина тока в этом режиме определяется главным образом сопротивлением нагрузки R_н, включенной последовательно с тиристором. При этом почти все напряжение источника питания падает на нагрузке R_н. Переход П2 вследствие накопления возле него больших зарядов оказывается в открытом состоянии, что, как известно, характерно для коллекторного перехода транзистора в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четырех также небольших падений напряжений в n- и p-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре также невелико и обычно не превышает нескольких вольт.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое весьма просто объяснить пользуясь схемой замещения.

Ток через переход П2 можно представить в виде суммы коллекторных токов транзисторов Т1 и Т2 и обратного тока перехода П2:

(1)

где I_к1 = ₁I_э1; I_к2 = ₂I_э2 — коллекторные токи транзисторов Т1 и Т2.

Учитывая, что через все переходы протекает один и тот же ток I, то есть

I = Iэ1= Iэ2= Iп2,

(2)

выражение для тока во внешней цепи можно записать в виде

(3)

Это уравнение является основным для четырехслойной структуры. Из него следует, что ток через прибор зависит от коэффициентов передачи тока ₁ и ₂ транзисторов Т1 и Т2.

Переключающее действие p-n-p-n структуры основано на увеличении коэффициентов передачи ₁ и ₂ с ростом тока. При выполнении условия ₁₊₂ = 1 в тиристоре возникает лавинообразный процесс возрастания тока. Тиристор переключается в открытое состояние и напряжение на приборе мгновенно снижается до величины U_откр, а ток I возрастает до величины, определяемой сопротивлением нагрузки.

При подаче на тиристор обратного напряжения (катод — "плюс", анод — "минус") переходы П1 и П3 окажутся смещенными в обратном направлении, а переход П2 — в прямом.

Величина допустимого обратного напряжения U_обр определяется удельным сопротивлением переходов П1 и П3 и концентрацией примесей в них. Обычно анодный переход имеет очень высокое удельное сопротивление, поэтому обратная ветвь вольтамперной характеристики тиристора по существу определяется характеристикой смещенного в обратном направлении перехода П1 и не отличается от обратной ветви характеристики диода.

Увеличение обратного напряжения до величин, превышающих U_обр, приводит к резкому возрастанию обратного тока и, как следствие, пробою и разрушению тиристора.

Основными параметрами тиристора являются:

U_обр — величина допустимого обратного напряжения, В;

U_вкл — напряжение включения, соответствующее точке перегиба вольтамперной характеристики (точка А);

I_вкл — ток включения — минимальная величина анодного тока, необходимого для перехода тиристора в открытое состояние;

I_max — максимально допустимое значение прямого тока;

I_имп.max — максимально допустимое значение импульсного прямого тока;

I_уд ,(I_выкл) — ток удержания (выключения) — величина анодного тока, ниже которой тиристор из открытого состояния переходит в закрытое;

I_обр — обратный ток, мА;

U_откр, U_ост — среднее значение падения напряжения на тиристоре в открытом состоянии при номинальном токе;

t_вкл, t_выкл — время включения и выключения тиристора соответственно;

C_общ — общая емкость.

ТРИНИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором.

Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение U_вкл. Чем больше ток через такой управляющий переход I_у, тем ниже U_вкл. Ток через прибор при этом определяется выражением

(4)

Рис. 3. Семейство ВАХ тринистора

При увеличении управляющего тока вольтамперная характеристика тиристора видоизменяется, как показано на рис. 3. Когда ток управления достигает величины, называемой током спрямления I_спр, участок характеристики ОВ приближается по своей форме к прямой ветви характеристики обычного диода.

При включенном тиристоре отключение управляющего тока не вносит изменений в процесс протекания тока через прибор, так как базы транзисторов Т1 и Т2 заполнены неравновесными носителями, которые обеспечивают взаимную встречную инжекцию от эмиттеров.

На рис. 4 приведена простейшая схема включения тринистора. На этой схеме приведено условное графическое обозначение тиристора с выводом от p-области. Подобный тиристор называют тиристором с управлением по катоду, так как управляющим электродом является базовая p-область, ближайшая к катодной области n.

На рис. 5 приведена зависимость напряжения включения тринистора от величины тока управления, называемая пусковой характеристикой тиристора (I_у0). Напряжение включения U_вкл соответствует напряжению переключения тиристора при I_у = 0.

Для запирания тиристора необходимо снизить ток через него до величины меньшей тока удержания I_уд, чего можно добиться несколькими способами:

• кратковременным снижением анодного напряжения;

• изменением полярности приложенного напряжения;

• разрывом анодной цепи.

Рис. 4. Простейшая схема включения тринистора с выводом от p-области	Рис. 5. Пусковая характеристика тиристора

Запираемые тиристоры. Разрыв анодной цепи или уменьшение анодного напряжения до величины, меньшей I_уд необходимые для запирания тиристора, требуют усложнения схемы.

Основное отличие запираемого тиристора от триодного заключается в том, что из открытого состояния в закрытое его можно перевести с помощью отрицательного сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Таким образом, запираемый тиристор способен включаться и выключаться с помощью сигналов, подаваемых на управляющий электрод.

а)

б)

в)

Рис. 6. Структура, схема замещения и условное графическое обозначение запираемого тиристора:

• а) четырехслойная структура тиристора;

• б) двухтранзисторная схема замещения;

• в) условное графическое обозначение

Для осуществления процесса выключения запираемого тиристора необходимо с помощью отрицательного тока управления предварительно избавиться от зарядов, которые накопились в базах транзисторов Т1 и Т2. Однако у мощных тиристоров, имеющих большую площадь структуры, эффект рассасывания наблюдается только в узкой зоне, вблизи управляющего электрода. Поэтому структуру запираемого тиристора выполняют так, чтобы регулировать эффективность инжекции с катодного перехода по всей площади структуры. Это достигается выполнением управляющего электрода, распределенным по всей площади структуры (рис. 6, а).

Принцип действия запираемого тиристора рассмотрим с помощью схемы замещения, приведенной на рис. 6, б.

В этой схеме для учета нелинейной зависимости коэффициентов передачи ₁ и ₂ от тока эмиттерные переходы шунтированы резисторами R1 и R2.

Когда тиристор отперт (оба транзистора находятся в состоянии насыщения), ток, протекающий через переход П2, определяется выражением ( ), то есть

(5)

При подаче в цепь управления отрицательного тока I_з (то есть отрицательного напряжения по отношению к катоду) ток базы p-n-p транзистора становится равным

(6)

Этот транзистор можно вывести из насыщения при условии

(7)

Учитывая, что , можно записать условие запирания тиристора:

(8)(

Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания К_з, который выражается отношением анодного тока I_а, при котором происходит запирание, к величине тока запирания управляющего электрода I_з:

(9)

Из этого выражения следует, что коэффициент запирания зависит от коэффициентов передачи тока ₁ и ₂ транзисторов Т1 и Т2, и тем больше, чем больше ₂.

Таким образом, для отключения тиристора необходимо на управляющий переход подать отрицательное напряжение, которое сначала должно компенсировать положительное напряжение на участке управляющий электрод-катод. При дальнейшем увеличении отрицательного тока происходит рассасывание зарядов в базе тиристора, уменьшение эмиттерного тока транзистора Т2 и лавинообразный процесс запирания тиристора.

В табл. 2 приведены основные параметры некоторых запираемых тиристоров.

Запираемые тиристоры широко применяются в устройствах постоянного тока. Что касается цепей переменного тока, то для них были специально разработаны симметричные тиристоры.

Симисторы. Эти приборы лишены существенного недостатка триодных и запираемых тиристоров – невозможности проводить ток в обоих направлениях.

Кроме способности проводить переменный ток, симметричные тиристоры (симисторы) в зависимости от устройства управляющего электрода могут управляться импульсами любой полярности и не выходят из строя при возникновении больших переходных напряжений.

а)

б)

в)

Рис. 7. Вольтамперная характеристика и структура симистора

Симистор представляет собой многослойный полупроводниковый прибор со структурой n-p-n-p-n или p-n-p-n-p. На рис. 7, а показана вольтамперная характеристика, которая иллюстрирует возможные состояния прибора в процессе работы. Симистор имеет два устойчивых состояния – открытое и закрытое – и может проводить ток как в прямом, так и в обратном направлении.

На рис. 7, б изображена структура симметричного тиристора. Из этого рисунка видно, что при полярности напряжения, показанной знаками "+" и "–" без скобок, работает левая половина прибора (направление движения электронов обозначено стрелками). При обратной полярности, показанной знаками в скобках, ток идет в обратном направлении через правую часть прибора. Роль симметричного тиристора могут выполнить два диодных тиристора, включенные параллельно-встречно (рис. 7, в). Управляемые симисторы имеют выводы от соответствующих областей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В настоящее время создана широкая гамма переключающих приборов на основе многослойных полупроводниковых структур: от маломощных до мощных, способных работать с токами в десятки и сотни ампер при напряжениях до нескольких тысяч вольт. С их использованием разработаны релаксационные генераторы, выпрямители тока, генераторы тока большой мощности и т.п.

Тиристоры имеют высокую надежность, долговечность, малые габариты и высокую экономичность, что привлекает разработчиков аппаратуры самого различного назначения.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

1. Анашкин В.А., Колосов Л.В., Иванов Е.С. Элементная база РЭА. - Ставрополь: СВВИУС, 1993, стр. 476-490.

2. Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. - Киев: Наукова думка", 1982, стр. 287-308

Использованная при подготовке лекции литература

1. Анашкин В.А., Колосов Л.В., Иванов Е.С. Элементная база РЭА. - Ставрополь: СВВИУС, 1993.

2. Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. - Киев: Наукова думка", 1982.

3. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981.

4. Дзюбин И.И. Тиристоры в электрических схемах. - М.: Энергия,1972.

	Лекцию разработал
	доцент кафедры № 5 полковник В. Пакин
" " 1998 г.