Глава 5. Тиристоры

Тиристорами называют полупроводниковые приборы на основе многослойных p-n-структур, способных переключаться из закрытого состояния (непроводящее) в открытое (проводящее) состояние. Если переключение происходит управляющим сигналом, то тиристор называется управляемым.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры. Для коммутации цепей переменного тока разработаны симметричные тиристоры - симмисторы.

Тиристоры, также как и СИТ, БСИТ, БТИЗ относятся к приборам силовой электроники, способным коммутировать (включать, переключать,) токи свыше 500 А при напряжении 2000 В и выше.

5.1. Принцип работы динистора

Динистор – это неуправляемый тиристор, имеющий четырехслойную p-n-p-n-структуру, изготовленную на основе кремния (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структура динистора

Анодом (А), который обычно связан с положительным полюсом источника напряжения, является область р-типа, катодом (К) область n-типа.

Крайние области динистора (р₁ и n₂) называются эмиттерами, средние (р₂ и n₁)  базами. Между областями с различным типом проводимости образуются p-n-переходы (П₁, П₂, П₃), каждый из которых в равновесии характеризуется контактной разностью потенциалов _0i (см. п. 2.2.1) величиной примерно один вольт за счет специального подбора концентрации примесей в каждой области.

P-n-переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, а переход П₃ - коллекторным.

Как известно, на границе каждого из p-n-переходов (рис. 5.1) образуются неподвижные заряды ионов доноров и акцепторов (см. п. 2.1). В частности, объемный заряд p-n-перехода П₃ образован неподвижными положительными ионами доноров (слева) и отрицательными ионами акцепторов (справа), так что вектор напряженности электрического поля Е внутри p-n-перехода направлен по оси Х.

Подключим динистор в схему, представленную на рис. 5.2, а, в которой напряжение питания U_п подается через ограничительный резистор R_огр на динистор (+ на аноде). Для упрощения анализа заземлим катод динистора. Очевидно, что напряжение U_п распределяется между динистором и резистором R_огр пропорционально величине их сопротивлений, так что на динисторе между анодом и катодом имеется некоторое напряжение U_А.

Рассмотрим процессы, происходящие в приборе при возрастании анодного напряжения U_А (рис 5.2, а). При подаче на анод + (прямое включение тиристора) эмиттерные p-n-переходы П₁ и П₂ (рис. 5.1) включены в прямом направлении, а p-n-переход П₃  в обратном.

Рис. 5.2. Схема включения (а) и ВАХ (б) неуправляемого тиристора

В закрытом состоянии тиристора сопротивление R_закр коллекторного p-n-перехода П₃ очень большое: R_закр >> R_огр. Поэтому напряжение источника U_п в схеме, представленной на рис. 5.2, а, главным образом, падает не на ограничительном резисторе R_огр, а на динисторе, и в данном режиме анодное напряжение практически равно напряжению питания U_А  U_п.

Заметим, что поскольку эмиттерные p-n-переходы включены в прямом направлении, то их сопротивление крайне мало, и все напряжение U_А  U_п, приложенное между контактами А и К, фактически падает на обратно смещенном переходе П₃.

Вольтамперная характеристика динистора представлена на рис. 5.2, б.

По мере возрастания анодного напряжения U_А (рис. 5.2, первый квадрант, участок ВАХ 0-1), ток I_A, протекающий между анодом и катодом, весьма мал (доли миллиампер), и представляет собой тепловой ток коллекторного p-n-перехода П₃. Заметим, как у всякого реального обратно смещенного p-n-перехода, тепловой ток I₀(U) немного возрастает при увеличении анодного напряжения.

Одновременно, по мере увеличения анодного напряжения U_А внутри структуры тиристора развиваются следующие процессы. Через прямо смещенные эмиттерные p-n-переходы П₁ и П₂ возрастают потоки основных носителей. Электроны (рис. 5.1) (из области n₂) и дырки (из области p₁) инжектируются через прямо смещенные p-n-переходы в соответствующие базы. В частности, дырки из области p₁ инжектируются в базу n₁ через переход П₁, после чего дрейфуют в этой базе к p-n-переходу П₃ (рис. 5.1), подходят к коллекторному переходу П₃, и, захватываясь полем данного p-n-перехода, перебрасываются в базу р₂ (область объема D). Дальнейшее движение дырок (вправо) в этой базе невозможно из-за положительного градиента потенциала в данной базе, созданного соответствующим легированием объема кристалла примесями. Именно поэтому, дырки, инжектированные из p₁-области, накапливаются в области "правой границы" коллекторного p-n-перехода П₃ (область объема D).

Аналогично, электроны из эмиттера n₂, проходя через базу р₂ и коллекторный p-n-переход П₃, накапливаются вблизи левой границе коллекторного p-n-перехода (рис. 5.1, область объема С).

Другими словами, по мере возрастания анодного напряжения U_А в области границ обратно смещенного p-n-перехода П₃ (области С и D) накапливается двойной электрический слой, созданный заряженными свободными носителями заряда (дырки – справа; электроны – слева). Эти носители заряда являются неравновесными, т.к. их концентрация определяется величиной протекающего тока и напряжения. Из пространственного расположения этих носителей (+  справа;  слева) следует, что совокупность накапливаемых зарядов создает дополнительное электрическое поле, уменьшающее исходную напряженность Е поля в p-n-переходе П₃.

Следовательно, по мере при возрастания анодного напряжения и незначительного увеличения тока I_А (тока обратно смещенного коллекторного перехода) суммарное электрическое поле p-n-перехода П₃ уменьшается. Наконец, при анодном напряжении, равном напряжению включения U_вкл (рис. 5.2, точка 1), коллекторный p-n-переход П₃ переключается из закрытого состояния в открытое.

В целом, все p-n-переходы П₁, П₂, П₃ оказываются открытыми, и так как их сопротивление крайне мало, то анодный ток через структуру динистора скачкообразно возрастает (рис. 5.2, б, участок II, 1-2) от значения I_вкл. до I_А2. Смена режима работы (иногда говорят, переход) из одного состояния в другое является неустойчивым и происходит достаточно быстро.

Увеличение анодного тока I в процессе изменения состояния на участке 1-2 (рис. 5.2, б) связано с резким уменьшением сопротивления p-n-перехода П₃ (ранее обратно смещенного, а теперь – прямо смещенного). Теперь сопротивление открытого тиристора равно R_откр, причем R_откр << R_огр. Поэтому напряжение собственно на структуре динистора уменьшается и становится равным U_А2. Заметим, что в открытом состоянии на приборе (между контактами А и К) падает незначительное напряжение U_А2 (в пределах нескольких вольт), поскольку сопротивление включенного динистора, определяемое величиной сопротивления трех открытых p-n-переходов, мало. Фактически на каждом из p-n-переходов падает напряжение не более U_а до одного вольта (см. п. 2.1.2).

Поскольку до открытия тиристора на источнике питания (рис. 5.2, б, точка 1) было большое напряжение, равное U_п1 = U_вкл = R_закрI_вкл, то при скачкообразной смене режима работы из точки 1 к точке 2 это напряжение U_п1 перераспределяется между динистором и ограничительным сопротивлением R_огр, т.е. U_п1 = U_a2 + U_Rогр  U_Rогр, а анодный ток равен: I_А2 = U_п/(R_огр + R_откр). Другими словами, теперь практически все напряжение источника приложено к ограничительному резистору, и именно резистор R_огр ограничивает возрастание силы тока в цепи открытого динистора после переключения (смены режимы работы) из закрытого состояния в открытое.

Описанный выше процесс называется включением тиристора.

Поскольку включение тиристора характеризуется увеличением тока I_А в цепи и сопровождается уменьшением напряжения U_А на его контактах (между анодом и катодом), то на вольтамперной характеристике возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (r_диф = U/I < 0).

Итак, после протекания быстрого процесса включения динистора в цепи устанавливается некоторый ток I_А2, величина которого, главным образом, зависит от напряжения источника питания U_п, величины ограничительного сопротивления R_огр.

Таким образом, динистор открылся, и через него может протекать значительный анодный ток, регулируемый величиной напряжения источника питания и ограничительным резистором (рис. 5.2, б, участок III). Заметим, что увеличение тока I_А (от точки 2 к точке 3) происходит по закону, описывающему прямую ветвь вольтамперной характеристики диода. При этом в области больших анодных токов напряжение на открытом тиристоре изменяется незначительно, и при фиксированном анодном токе имеет значение U_откр, указываемое в паспорте прибора.

В процессе управления тиристором возможно как включать, так и выключать прибор с помощью внешнего воздействия.

Как выключить динистор, учитывая, что в открытом состоянии p-n-переход открыт, и на его границах (рис. 5.1, области объема С и D) накоплен значительный заряд инжектированных неравновесных носителей заряда?

Выключение тиристора может быть реализовано несколькими путями:

1) уменьшением напряжения между анодом и катодом, так что анодный ток I_А уменьшается до значения I_выкл (рис. 5.2, б, точка 4). При этом за счет рекомбинации (исчезновения) и экстракции (вывода) неравновесных носителей из баз коллекторный p-n-переход П₃ вновь включается в обратном направлении и его сопротивление возрастает. Таким образом, реализуется смена режима работы – процесс переключения тиристора из открытого состояния в закрытое.

2) простым выключением динистора, путем прерывания тока в цепи динистора. Заметим, что при снятии анодного напряжения (при разрыве цепи анодного тока) тиристор лишь через некоторое время  (время жизни неравновесных носителей в базах) оказывается в полностью выключенном состоянии. Другими словами, тиристор окончательно выключается лишь после протекания процессов рекомбинации неравновесных носителей в базах. В том же случае, когда напряжение на аноде появляется через время, меньшее, чем значение , тиристор вновь оказывается во включенном состоянии;

3) ускорением процесса рекомбинации носителей. Это достигается путем подачи на тиристор импульсного напряжения обратной полярности, в результате чего ускоряется процесс рекомбинации неравновесных носителей, описанный выше.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики динистора (рис. 5.2, б, третий квадрант), которая получается при подаче на контакт анода отрицательного потенциала по отношению к катоду, представляет собой характеристику, аналогичную обратной ВАХ диода. В этом режиме два p-n-перехода П₁ и П₂ будут включены в обратном направлении и через них будут протекать незначительный тепловой ток вплоть до напряжения, называемое напряжением загиба U_заг. При этом напряжении начинаются процессы необратимого пробоя обратно смещенных p-n-переходов П₁ и П₂, и поэтому дальнейшее увеличение напряжения питания недопустимо.

Анализируя работу динистора (рис. 5.2, б) можно сделать вывод: если напряжение питания имеет такие значения, что |U_п| < U_вкл (первый квадрант), |U_п| < U_заг (U_заг  напряжение, при котором начинаются пробойные процессы), то тиристор всегда будет закрыт.