9. Тиристоры. Назначение, определение, область применения.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Это и определило его название («тира» по-гречески — дверь). Тири­стор, подобно двери, открывается, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая путь току.

С точки зрения применения тиристор — это полупроводниковый ключ, то есть прибор, основное назначение которого состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки при управлении внешним сигналом. Тиристоры используются в цепях электропитания устройств связи и энергетики, различных автономных управля­ющих устройствах.

Тиристоры подразделяются на динисторы, тринисторы и симисторы.

Динистор — это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три рn-перехода.

По своей структуре динисторы состоят из четырех и более полупроводнико­вых слоев, образуя три и более перехода вместо двух, как у биполярного транзи­стора. Полупроводниковые слои последовательно чередуются. Крайняя p-область называется анодом, а крайняя n-область — катодом.

Принцип действия динистора

Подадим на анод динистора «+», на катод — «-» внешнего напряжения (рис. 1). При такой полярности включения внешнего напряжения к крайним переходам приложено прямое напряжение, а к среднему — обратное. Следовательно, край­ние переходы открыты, а средний закрыт. При этом динистор находится в за­крытом состоянии благодаря большому сопротивлению среднего перехода.

Рисунок 1. Структурная схема динистора.

В данном случае большая часть внешнего напряжения приложена к сред­нему переходу, имеющему большое сопротивление, и только незначительная часть этого напряжения приложена к крайним переходам, сопротивление кото­рых мало.

Для того чтобы осуществить переключение, то есть открыть динистор, необ­ходимо скомпенсировать потенциальный барьер среднего перехода.

Для более наглядной иллюстрации происходящих процессов в динисторе представим его в виде двух биполярных транзисторов р-n-р- и n-р-n - структуры.

Рис.2

Рисунок 2. Принцип работы динистора.

Как видно из рис. 2, оба транзистора работают в активном режиме (прямое включение). На эмиттерные переходы p₁n₁ и n₂p₂ подаются прямые напряже­ния, на коллекторный переход р₂n₁ — общий для двух транзисторов — обратное напряжение. Под действием прямых напряжений, приложенных к эмиттерным переходам, происходит инжекция основных носите­лей заряда р₁ и n₂ в соответствующие базы n₁ и р₂.

В npn-транзисторе электроны из эмиттера n₂ пе­реходят в базу р₂, где становятся неосновными но­сителями. Часть этих электронов рекомбинируют в базе, а остальные переходят в коллектор n₁ под дей­ствием прямого напряжения. В результате этого в об­ласти n₁ создается избыточный отрицательный заряд. Аналогичное явление происходит и в pnp-транзисторе, благодаря чему в коллекторе р₂ создается избыточный положительный заряд.

Но первоначально за счет обратного напряжения на границе перехода n₁ и р₂ имеется двойной электрический слой, состоящий из нескомпенсированных поло­жительных зарядов в области n₁ и отрицательных зарядов в области р₂, которые образуют потенциальный барьер (свойства рn-перехода без внешнего напряжения).

Однако избыточные электроны п₁-области и дырки р₂-области (под действи­ем прямого напряжения), накапливаясь, создают свое электрическое поле (за­ряд), которое снижает потенциальный барьер на границе перехода р₂п₁.

При увеличении внешнего напряжения между анодом и катодом возрастает число подвижных носителей заряда, которые переходят в коллекторы соответст­вующих транзисторов. Это приводит к возрастанию избыточных зарядов основ­ных носителей в областях р₂ и п₁, что способствует снижению потенциального барьера на переходе р₂, вплоть до его полной компенсации.

При полной компенсации обратного напряжения на коллекторном переходе он откроется и его сопротивление будет таким же малым, как и у обоих эмиттерных переходов. Ток динистора резко возрастет.

Динистор будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока проходящий через него ток будет достаточным для инжекции электронов и «дырок» в слои п₁ и р₂. Если ток тиристора снизить до значения I_выкл, называемого током выключения, то динистор переходит в закрытое состояние. Для значительного снижения напряжения включения необходимо ввести дополнительный управляющий электрод. Тринистор- это полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную структуру, одна из базовых областей которого имеет управляющий электрод. В зависимости от того, какая база условного транзистора сделана управляющей, различают тринисторы с анодным и катодным управлением.

УГО:

Рассмотрим тринистор с катодным управлением.

Под действием напряжения управления через переход ПЗ будет проходить ток управления I_у, который вызовет инжекцию электронов из слоя n₂ в слой p₂- Через переход П2 пройдет ток, равный I + Iу, превышающий ток включения I_вкл, что приведет к включению тринистора. Если увеличивать ток включения тринистора, то напря­жение включения будет уменьшаться, т. е. если I_у1>I _у2, то Uвкл1 < Uвкл2. Если на анод и управляющий электрод одновременно по­дать соответствующие напряжения, то тиристор будет работать как не­управляемый диод, а его вольт-амперная характеристика не будет иметь выступа, соответствующего выключенному состоянию. После включения тиристора с управляющего электрода можно снять напря­жение, что практически и делается в условиях.