Глава 5. Тиристори

Т иристор - це напiвпровiдниковий прилад з трьома i бiльше р-n-переходами, в вольт-ампернiй характеристицi якого iснує дiлянка негативного диференцiального опору i який використовується для переключення. В залежностi вiд числа зовнiшнiх виводiв розрiзняють двохелектродний прилад - динiстор, трьохелектродний - тринiстор i чотирьохелектродний - бiнiстор. Умовне графічне позначення таких напівпровідникових приладів показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Умовне графічне позначення диністора (1), симетричного диністора (2), триністора з управлінням по катоду (3) и аноду (4) та симетричного триністора (5)

5.1. Будова I принцип дiї тиристора

Для прикладу розглядається дiодний тиристор (динiстор), структура якого р-n-р-n показана на рис. 5.1.

Рис. 5.2. Структурна схема диністора

Як видно, вiн має три р-n-переходи, причому два з них (П₁ i П₃) являються змiщеними прямо, а середнiй перехiд П₂ - змiщений зворотно. Крайню область р називають анодом, а крайню область n - катодом.

Динiстор можна представити у виглядi еквiвалентної схеми (моделi), яка включає в себе два транзистори VТ₁ типу р-n-р i VТ₂ типу n-р-n, з'єднанi так, як показано на рис. 5.2.

Рис. 5.3. Модель структурної (еквівалентної) схеми диністора

В цьому випадку переходи П₁ i П₃ являються емiтерними переходами цих транзисторiв, а перехiд П₂ являється в обох транзисторах колекторним. Внутрiшнi областi n i р називаються базами. Область бази Б₁ транзистора VТ₁ одночасно служить колекторною областю К₂ транзистора VТ₂, а область бази Б₂ транзистора VТ₂ являється колекторною областю К₁ транзистора VТ₁. Вiдповiдно цьому колекторний струм першого транзистора являється струмом бази другого транзистора , а струм колектора другого транзистора являє собою струм бази першого транзистора .

Я к правило, тиристори виготовляються з кремнiю, причому емiтернi переходи можуть бути сплавними, а колекторний перехiд виготовляється методом дифузiї. Застосовується також планарна технологiя. Концентрацiя домiшки в базових (середнiх) областях значно менша, нiж в емiтерних (крайнiх) областях.

Фiзичнi процеси в динiсторi можна представити собi слiдуючим чином. Якби був лише один перехiд П₂, працюючий при зворотнiй напрузi, то iснував би лише незначний зворотний струм, зумовлений перемiщенням через перехiд неосновних носiїв, яких мало. Але, як вiдомо, в транзисторi можна одержати значний колекторний струм, який також буде зворотним струмом колекторного переходу, якщо в базу транзистора через емiтерний перехiд iнжектуються у великiй кiлькостi неосновнi носiї. Чим бiльша пряма напруга на емiтерному переходi, тим бiльше цих носiїв пiдходить до колекторного переходу, тим бiльшим стає струм колектора. Напруга на колекторному переходi, навпаки, стає меншою, тому що при бiльшому струмi зменшується опiр колекторного перехода i зростає падiння напруги на навантаженнi, яке включається в коло колектора. Так, наприклад, в схемах переключення транзистор переводиться у вiдкритий стан (в режим насичення) шляхом подачi на його емiтерний перехiд вiдповiдної прямої напруги. При цьому струм колектора досягає максимального значення, а напруга мiж колектором i базою зменшується до десятих часток вольта.

Дещо подiбне спостерiгається i в тиристорi. Через змiщенi прямо переходи П₁ i П₃ в областi, якi межують з переходом П₂, iнжектуються неосновнi носiї, зменшуючi опiр перехода П₂.

Вольт-амперна характеристика динiстора, яка представлена на рис. 5.4, показує, що вiдбувається в динiсторi при пiдвищеннi прикладеної до нього напруги.

Рис. 5.4. Вольт-амперна характеристика диністора

Спочатку струм невеликий i зростає повiльно, що вiдповiдає дiлянцi ОА характеристики. В цьому режимi динiстор можна вважати закритим. На опiр колекторного переходу П₂ впливають два взаємно протилежних процеси. З однiї сторони, пiдвищення зворотної напруги на цьому переходi збiльшує його опiр, тому що пiд впливом зворотної напруги основнi носiї iдуть в рiзнi сторони вiд границi, тобто перехiд П₂ все бiльше збiднюється основними носiями. Проте, з iншої сторони, пiдвищення прямих напруг на емiтерних переходах П₁ i П₃ пiдсилюють iнжекцiю носiїв, якi пiдходять до переходу П₂, збагачують його i зменшують його опiр. До точки А перевагу має перший процес i опiр зростає, але все повiльнiше i повiльнiше, тому що поступово пiдсилюється другий процес.

Б iля точки А при деякiй напрузi (десятки або сотнi вольт), яка називається напругою включення U_вкл, вплив обох процесiв урiвноважується, а далi навiть при незначному пiдвищеннi напруги починає переважати другий процес i опiр переходу П₂ починає зменшуватися. В цьому випадку виникає лавинний процес швидкого вiдкривання динiстора. Цей процес пояснюється таким чином.

Струм рiзко, стрибком, зростає (дiлянка АБ на характеристицi), тому що збiльшення напруги на переходах П₁ i П₃ зменшує опiр переходу П₂ i напруги на ньому, внаслiдок чого ще бiльше зростають напруги на П₁ i П₃, а це, в свою чергу, приводить до ще бiльшого зростання струму, зменшенню опору перехода П₂ i т.i. В результатi такого процесу встановлюється режим, який нагадує режим насичення транзистора - значний струм при малiй напрузi (дiлянка БВ). Струм в цьому режимi, коли прилад вiдкритий, визначається головним чином опором навантаження R_н, яке включається послiдовно з динiстором. При цьому внаслiдок значного струму майже вся напруга джерела живлення падає на навантаженнi R_н.

В вiдкритому станi внаслiдок накопичення значних зарядiв бiля переходу П₂ напруга на ньому пряма, що, як вiдомо, являється характерним для колекторного переходу в режимi насичення. Тому повна напруга на тиристорi складається з трьох невеликих напруг на переходах i чотирьох також невеликих падiнь напруг на р- i n-областях. Оскiльки кожна з цих напруг складає частки вольта, то загальна напруга на вiдкритому тиристорi не перевищує декiлька вольт, i отже, тиристор в цьому станi має незначний опiр.

Процес стрибкоподiбного переключення тиристора з закритого стану в вiдкритий можна дуже просто пояснити математично. При аналiзi еквiвалентної схеми (диврис.5.3) видно, що струм тиристора I являється струмом першого емiтера або струмом другого емiтера . Iнакше струм I можна розглядати як суму двох колекторних струмiв i , якi дорiвнюють вiдповiдно i , де ₁ i ₂ - коефiцiєнти передачi емiтерного струму транзисторiв VТ₁ i VТ₂. Крiм того, в склад струму I входить i початковий струм колекторного переходу I_кбо.

Таким чином, можна написати ,

або (зважаючи на те, що ).

. (5.1)

З виразу (3.1) знаходимо

. (5.2)

Проаналiзуємо одержаний вираз. При малих струмах ₁ i ₂ значно меншi одиницi i їх сума також менша одиницi. Тодi згiдно з формулою (5.2) струм I виявляється порiвняно малим. З зростанням струму ₁ i ₂ зростають i це приводить до збiльшенння струму I. При деякому струмi, який називається струмом включення I_вкл, сума дорiвнює одиницi i струм I збiльшився б до безконечностi, якби його не обмежував опiр навантаження. Саме така тенденцiя струму I необмежено зростати показує стрибкоподiбне наростання струму, тобто на вiдкривання динiстора.

Динiстор характеризується максимально допустимим значенням прямого струму I_max (точка В на рис. 5.4), при якому на приладi буде невелика напруга U_вiдкр. Якщо ж зменшити струм через прилад, то при деякому значеннi струму, який називається утримуючим струмом I_утр (точка Б), струм рiзко зменшується, а напруга рiзко пiдвищується, тобто прилад стрибком повертається в закритий стан, який вiдповiдає дiлянцi характеристики ОА. При зворотнiй напрузi на динiсторi характеристика являється такою ж, як i для зворотного струму звичайних дiодiв, тому що переходи П₁ i П₃ будуть пiд зворотною напругою.

Характерними параметрами динiсторiв являються:

час включення t_вкл;

час виключення t_викл;

загальна ємнiсть С_заг;

максимальне значення iмпульсного прямого струму I_iмп.max;

максимальне значення зворотної напруги U_зв.max.

Час включення динiсторiв складає не бiльше одиниць мiкросекунд, а час виключення, який зв'язаний з рекомбiнацiєю носiїв, складає декiлька десяткiв мiкросекунд. Завдяки цьому динiстори можуть застосовуватися лише на порiвняно низьких частотах.

На електричних принципiальних схемах динiстори зображаються так, як показано на рис. 5.1.