ТИРИСТОРЫ

1. Назначение и принцип действия

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переходить из открытого состояния в открытое, и наоборот. Тира – по гречески означает дверь, поэтому тиристор, подобно двери, открывается, пропуская электрический ток (малое сопротивление), и закрывается, преграждая путь току (большое сопротивление). Тиристоры используются в цепях электропитания устройств cвязи и энергетики, различных автоматических управляющих уст­ройствах в качестве регуляторов освещения, устройствах цвето­музыки и т. д.

Устройство. По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех-четырех (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость .после­довательно чередуется. Вследствие этого в тиристоре образуется три и более перехода вместо двух, как у биполярного транзисто­ра. Рассмотрим устройство тиристора (рис. 5.1). Крайнюю область Р1 называют анодом, крайнюю область N2 — катодом.

Принцип действия. Подадим на тиристор напряжение плюсом ж аноду и минусом к катоду. Нетрудно увидеть, что при такой полярности включения внешнего напряжения к крайним перехо­дам П1 и ПЗ приложено прямое напряжение, а к среднему пере­ходу П2 — обратное. Следовательно, переходы П1 и ПЗ открыты, а П2 закрыт. Это приводит к тому, что большая часть внешнего напряжения приложена к переходу П2_У имеющему очень большое -сопротивление, и только незначительная часть этого напряжения приложена к переходам П1 и ПЗ, сопротивление которых неизме­римо меньше. При этом тиристор находится в закрытом состоя­нии, благодаря большому сопротивлению перехода П2, имеющему большое сопротивление, и только малая часть этого напряжения подана к переходам П1 и П3, сопротивление которых значительно меньше. В этом случае тиристор находится в закрытом состоянии по причине большого сопротивления перехода П2. Для того, чтобы выполнить переключение (открыть тиристор), надо скомпенсировать потенциальный барьер на границе облас­тей N1—Р2. Рассмотрим, как это происходит. Тиристор, имеющий три РN - перехода, удобно представить в виде двух биполярных - транзисторов РNР и NРN. Это дает возможность для анализа работы тиристора использовать положения и выводы из теории работы биполярных транзисторов. Как видно из рис. 2, оба транзистора работают в активном режиме. На эмиттерные переходы Р1N1 и N2Р2 подается прямое напряжение, на коллекторный пе­реход Р2N1, общий для обоих транзисторов, - обратное напря­жение. Под действием прямых напряжений, приложенных к эмиттерным переходам, происходит инжекция основных носителей заря­да из эмиттеров Р1 и N2 в соответствующие базы N1 и Р2. В тран­зисторе NРN электроны из эмиттера N2 переходят в базу Р2, где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рeкомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор N1 под действием обратного напряжения коллекторного перехода. В ре­зультате этого перехода в области N1 создается избыточный от­рицательный заряд. Аналогичное явление происходит в транзи­сторе РNР. Дырки из эмиттера Р1 инжектируют в базу N1, где часть их рекомбинирует с электронами базы, а остальные пере­брасываются в коллектор Р2, создавая в нем избыточный поло­жительный заряд. Напомним, что за счет обратного напряжения на границе перехода имеется двойной электрический слой, состоя­щий из нескомпенсированных положительных зарядов в области N1 и отрицательных зарядов в области Р2, которые образуют по­тенциальный барьер. Избыточные электроны в области N1 и дырки в области Р2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер на границе перехода Р2N1. При увеличении внешнего напряжения, приложенного меж­ду анодом и катодом, возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П3, большее число подвижных носителей заряда переходит на коллекторы соответствующих транзисторов. Это приводит к возрастающему накоплению избыточных зарядов основных носителей в областях Р2 и N1, что способствует сниже­нию потенциального барьера на переходе П2 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 тиристора резко возрастет.

Рис. 1. Структура ти­ристора Рис. 2. Тиристор, представленный в видe

двух условных транзисторов