Лабораторна робота 5. Дослідження тиристора

Мета роботи. Вивчити властивості напівпровідникового керованого вентиля – тиристора.

Теоретичні відомості

Тиристорами називають перемикальні напівпровідникові компоненти, що мають чотири і більше шари і три чи більше електронно-діркових переходів. ● Диністори (діодні тиристори) - це некеровані перемикальні діоди. ● Триністори (тріодні тиристори) - це перемикальні компоненти з трьома р-n переходами і трьома виводами - анодом, катодом і керуючим електродом. ● Тиристори, що замикаються - це повністю керовані компоненти, які під впливом струму керуючого електрода можуть переходити із закритого стану у відкритий стан, і навпаки. ● Симістори - це симетричні тиристори, тобто тиристори з симетричною ВАХ.

У всіх тиристорів на ВАХ присутня ділянка негативного диференціального опору (рис.5.1). Тиристори в основному виробляють за технологією дифузії.

Амплітуда максимального струму деяких тиристорів може досягати десятків тисяч ампер, а напруга анод-катод - декількох кіловольт. Після включення між виводами анод-катод тиристорів присутня залишкова напруга величиною зазвичай від 1,2 В до 2,5 В.

а) б)

в)

Рис.5.1. ВАХ диністора (а), триністора (б), симістора (в).

Рис.5.2. Структура диністора

Устрій і принцип дії диністоров.

Зовнішня p-область і вивід від неї називається анодом. Зовнішня n-область і вивід від неї називається катодом. Внутрішні p-і n-області називаються базами диністора. Крайні p-n переходи називаються емітерним, а середній p-n перехід називається колекторним.

Подамо на анод «-», а на катод «+». При цьому емітерні переходи будуть закриті, колекторний відкритий. Основні носії зарядів з анода і катода не зможуть перейти в базу, тому через диністор буде протікати тільки маленький зворотний струм, викликаний не основними носіями заряду. Якщо на анод подати «+», а на катод «-», емітерний переходи відкриваються, а колекторний закривається.

Диністори застосовуються у вигляді безконтактних перемикачів пристроїв, керованих напругою.

.

Рис.5.3. ВАХ диністора

I - ділянка відкритого стану діністора;

II - ділянка негативного опору;

III - ділянка пробою колекторного переходу;

IV - ділянка в прямому включенні, на якому диністор замкнений, і прикладена до його виводів напруга менше, ніж необхідно для виникнення пробою;

V - ділянка зворотного включення діністора;

VI - ділянка лавинного пробою.

Принцип дії диністора.

Основні носії зарядів переходять з анода в базу 1, а з катода - в базу 2, де вони стають не основними і в базах відбувається інтенсивна рекомбінація зарядів, в результаті якої кількість вільних носіїв зарядів зменшується. Ці носії заряду підходять до колекторному переходу, поле якого для них буде прискорюючим, потім проходять базу і переходять через відкритий емітерний перехід, тому що в базах вони знову стають основними.

Пройшовши емітерні переходи, електрони переходять в анод, а дірки - в катод, де вони вдруге стають не основними, і вдруге відбувається інтенсивна рекомбінація. В результаті кількість зарядів, що пройшли через диністор, буде дуже малою і прямий струм також буде дуже малий. При збільшенні напруги прямий струм незначно зростає, оскільки збільшується швидкість руху носіїв, а інтенсивність рекомбінації зменшується.

При збільшенні напруги до певної величини відбувається електричний пробій колекторного переходу. Опір диністора різко зменшується, струм через нього сильно збільшується і падіння напруги на ньому значно зменшується. Вважається, що диністор перейшов з вимкненого стану у включене.

Основні параметри тиристорів.

● Напруга включення (Uвкл) - це напруга, при якій струм через тиристор починає сильно зростати.

● Струм включення (Iвкл) - це струм, відповідний напрузі включення.

● Струм вимкнення (Iвимк) - це мінімальний струм через тиристор, при якому він залишається ще у включеному стані.

● Залишкова напруга (Uзал) - це мінімальна напруга на тиристорі у включеному стані.

● Струм витоку (Io) - це струм через тиристор у вимкненому стані при заданій напрузі на аноді.

● Максимальна допустима зворотна напруга (Uзвор.max).

● Максимально допустима пряма напруга (Uпр.max).

● Час включення (t_ВКЛ) - це час, за який напруга на тиристорі зменшиться до 0,1 напруги включення.

● Час виключення (t_викл) - це час, за який тиристор переходить з включеного в вимкнений стан.

Триністори.

Тріністори можна включати при напругах, менших напруги включення диністора. Для цього достатньо на одну з баз подати додаткову напругу таким чином, щоб створюване цією напругою поле збігалося по напряму з полем анода на колекторному переході.

Коли через керуючий електрод протікає струм відмикання, зростає швидкість носіїв заряду, які інжектуются через колекторний перехід, що ініціює примусове відмикання триністора. Після включення триністор не реагує на зміну сили струму керуючого електрода. Щоб закрити триністор, необхідно зменшити силу струму, що протікає по аноду та катоду, нижче струму утримання, або поміняти полярність напруги, прикладеної між анодом і катодом.

Якщо керуючий електрод триністора знеструмлений, то триністор функціонує так само, як диністор. У триністорах, які не замикаються, керуючий електрод займає невелику ділянку кристала напівпровідника (приблизно кілька відсотків).

Можна подати струм управління на другу базу, але для цього необхідно подавати напругу негативної полярності відносно анода, і тому розрізняють триністори з управлінням по катоду та з управлінням по аноду.

Триністори широко застосовують у регуляторах потужності, контакторах, інверторах, ключових перетворювачах і пр. Деякі обмеження на впровадження триністоров накладає їх часткова керованість.

Рис.5.4. Структура та ВАХ триністора.

Тиристори, що замикаються (GaТe Turn Off (GTO) - це повністю керовані компоненти, які під впливом струму керуючого електрода можуть переходити із закритого стану у відкритий стан, і навпаки.

Особливість тиристора GTO полягає в іншому розташуванні горизонтальних і вертикальних шарів з n- і р- провідністю (рис.5.5).

Катодного шар n розбитий на кілька сотень елементарних комірок, рівномірно розподілених по площі і з'єднаних паралельно, з метою забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі структури при вимиканні приладу. Базовий шар p має велике число контактів керуючого електрода (приблизно рівне числу катодних комірок), також рівномірно розподілених по площі і з'єднаних паралельно. Базовий шар n виконаний анало гічно відповідному шару звичайного тиристора. Анодний шар p має шунти (зони n), що з'єднують n-базу з анодним контактом через невеликі розподілені опору. Анодні шунти призначені для зменшення часу виключення приладу.

Рис.5.5. Структура тиристора GTO

Щоб вимкнути GTO тиристор, потрібно пропустити через керуючий електрод струм протилежної полярності, ніж полярність, що викликала відмикання компонента. Важливим параметром розглянутих тиристорів виступає коефіцієнт замикання, що дорівнює відношенню струму анода до необхідного для виключення компонента зворотного струму керуючого електрода.

Тиристори GTO зазвичай використовують у перетворювальної техніці в якості електронних ключів.

.

Рис.5.6. Умовні графічні позначення тиристорів