§ 10.1 Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рисунок 10.1). Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор (динистор), обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор (симистор), имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Основой большинства тиристоров служит четырехслойная структура типа p₁-n₁-p₂-n₂. Крайние области и переходы 1-й и 3-й структуры (рисунок 10.2) называют эммитерными, центральный переход 2 – коллекторным, а области n₁ и p₂ – базами.

Рисунок 10.1 – ВАХ тиристора Рисунок 10.2 – Структура динистора (а) и

его эквивалентная схема (б)

Толщина областей тиристора различна, а концентрация примесей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от n-эмиттера именуют катодом, от p-эмиттера – анодом.

Действие динистора обусловлено физическими процессами в p-n-переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного напряжения на анод (рисунок 10.2) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 – в прямом. Происходит инжекция носителей через открытые переходы – дырок из области p₁ в базу n₁, электронов – из n₂ в p₂. Одновременно через открытые переходы инжектируются встречные потоки носителей – электронов из базы n₁ в p₁ и дырок из базы p₂ в область n₂. Однако концентрация основных носителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пренебречь.

Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через

70

переход 2, включенный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собственный обратный ток, обусловленный неосновными носителями в базах n₁ и p₂. В результате ток коллекторного перехода 2:

I₂ =а₁I₁ + а₂I₃ + I₀2 (10.1)

где I₁, I ₃ - токи соответственно первого и третьего переходов; <х₁, (Х₂ -коэффициенты передачи тока соответственно через n₁- и p₂-базы; I₀₂ -собственный обратный ток перехода 2.

Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анодному току: I_а = I₁ = I₂ = I₃. Тогда, используя формулу (10.1), получим

I_а = I0₂ / [1–(oc1 + сх₂)]. (10.2)

Коэффициенты передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между p-n-переходами пропорционально их сопротивлениям. Так как сопротивления открытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого перехода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При небольших напряжениях анода прямое смещение на переходах 1 и 3 невелико и токи I₁ и I₃ составляют несколько микроампер. При таких токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода невелико, сумма (о1 + а₂) << 1 и анодный ток определяется собственным обратным током коллекторного перехода I₀₂.

С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на переходах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области n₂, переходят через переход 2 в базу n1 и создают там неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью p1- в n₁-базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в p₂-базу, увеличивают ее положительный потенциал и соответственно инжекцию электронов из области n₂. Таким образом, в структуре динистора начинает действовать внутренняя положительная обратная связь, развивается регенеративный процесс, который ведет к самопроизвольному увеличению анодного тока.

При анодном напряжении, равном U _вкл, процесс регенерации усиливается, сумма a1 + а₂ приближается к единице и ток динистора резко возрастает.

Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер перехода 2, компенсируются динамическими неравновесными зарядами электронов и дырок в p₂- и n₁-базах. В результате этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, начинается перераспределение напряжения источника Е_а.

Тиристор переходит в неустойчивый режим 2, где он имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, а затем скачком - в режим 3, cоответствующий устойчивому открытому состоянию динистора (см. рисунок 10.1). В этом режиме падение напряжения на приборе определяется суммой падений напряжений на трех p-n-переходах, смещенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом режиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки I_a*Е_а/Я_н.

Перевод закрытого динистора в открытое состояние - обратимый процесс. При снижении тока динистора объемные заряды носителей в базах оказываются недостаточными для компенсации потенциального перехода 2, процесс развивается в обратной последовательности и динистор переключается в закрытое состояние. Время выключения определяется процессами рассасывания и рекомбинации подвижных носителей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – Структура тиристора

При подаче в цепь управляющего электрода тока i_y ток через эмиттерный переход ЭП1 увеличивается, следовательно, условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое ((X1 +a₂)~1, будет достигаться при меньшем напряжении включения U_вкл (см. рисунок 10.1). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_y, можно изменять величину напряжения включения U_вкл. Некоторые маломощные тиристоры можно и выключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода.

В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характеристика симметрична (рисунок 10.4, а).

а

б

п

р

п

р

п

Пс

Рисунок 10.4 – ВАХ (а) и структурная схема (б) симистора

71

Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и называются симисторами (рисунок 10.4, б).

Тиристоры находят широкое применение в устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода. К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения.