2.3. Тиристоры
Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».
Диодный тиристор (динистор) имеет три n-р-перехода, причем два из них работают в прямом направлении, а средний переход — в обратном направлении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область n — катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (модели), состоящей из двух транзисторов типа n – p - n и р—n—р, соединенных так, базы соединены с коллекторами. Получается, что два перехода являются эмиттерными этих транзисторов, а один переход в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы одного транзистора; одновременно является коллекторной областью второго транзистора, а область базы второго транзистора; одновременно служит коллекторной областью первого транзистора Соответственно этому коллекторный ток первого транзистора является током базы второго транзистора. А ток коллектора второго транзистора представляет собой ток базы первого транзистора. Эксперимент со схемой из двух транзисторов подтвердил, что по своим свойствам эта схема совпадает с диодным тиристором.
Как правило, тиристоры делают из кремния, причем эмиттерные переходы могут быть сплавными, а коллекторный переход изготовляют методом диффузии. Применяется также планарная технология. Концентрация примеси в базовых (средних) областях значительно меньше, нежели в эмиттерных (крайних) областях.
Физические процессы в тиристоре можно представить себе следующим образом. Если бы был только один переход, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный перемещением через переход неосновных носителей, которых мало. Но, как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, являющийся тем не менее обратным током коллекторного перехода, если в базу транзистора со стороны эмиттерного перехода инжектируются в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на, эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу, тем больше становится ток коллектора. Напряжение на коллекторном переходе, наоборот, становится меньше, так как при большем токе уменьшается сопротивление коллекторного перехода и возрастает падение напряжения на нагрузке, включенной в цепь коллектора. Так, например, в схемах переключения транзистор переводится в открытое состояние (в режим насыщения) путем подачи на его эмиттерный переход соответствующего прямого напряжения. При этом ток коллектора достигает максимального значения, а напряжение между коллектором и базой снижается до десятых долей вольта.
Нечто подобное получается и в тиристоре. Через переходы, работающие в прямом направлении, в области, примыкающие к запертому переходу, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода.
Вольт-амперная характеристика тиристора, представленная на рис. 2.8. показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым («запертым»). На сопротивление
Рис. 2.10. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора
коллекторного перехода; влияют два взаимно противоположных процесса, С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, т. е. Этот переход все больше обедняется основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопротивление растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс.
Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни вольт), называемом напряжением включения, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода; начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом.
В открытом состоянии вследствие накопления больших зарядов около запертого перехода напряжение на нем прямое, что, как известно, характерно для коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четырех также небольших падений напряжений в и- и р-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт и, следовательно, тиристор в этом состоянии имеет малое сопротивление.
Характерными параметрами диодных тиристоров являются также время включения tвкл, время выключения tвыил, общая емкость Собщ, максимальные значения импульсного прямого тока Iимпmах и обратного напряжения Uобрмакс- Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выключения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах.
Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение Uвкл. Чем больше ток через такой управляющий переход Iy, тем ниже Uвкл.
Эти основные свойства триодного тиристора наглядно отражаются его вольт-амперными характеристиками. Чем больше этот ток, тем сильнее инжекция носителей от соответствующего эмиттера к среднему коллекторному переходу и тем меньшее требуется напряжение на тиристоре, для того чтобы начался процесс отпирания прибора. Наиболее высокое Uвкл получается при отсутствии тока управляющего электрода, когда триодный тиристор превращается в диодный. И наоборот, при значительном токе Iу характеристика три-одного тиристора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.
Рис. 2.11. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора
Параметры у триодных тиристоров такие же, как у диодных. Добавляются лишь величины, характеризующие управляющую цепь.
Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, и для запирания необходимо уменьшить ток в тиристоре до значения ниже Iуд. Однако разработаны и применяются так называемые запираемые триодные тиристоры, которые запираются при подаче через управляющий электрод короткого импульса обратного напряжения на эмиттерный переход. Разработаны также симметричные тиристоры, или симисторы, имеющие структуру п—р—п—р—п или р—п—р— п—р, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления.
Триодные тиристоры нашли очень широкое применение в различных схемах радиоэлектроники, автоматики, промышленной электроники. От источника через резистор сравнительно медленно заряжается конденсатор. Пока напряжение на конденсаторе невелико, триодный тиристор находится в запертом состоянии. Но когда оно станет равно напряжению включения тиристор отпирается и конденсатор быстро разряжается через него, так как в открытом состоянии тиристор имеет малое сопротивление. В конце разряда конденсатора ток через тиристор снижается до значения удерживающего тока и тиристор запирается. После этого снова повторяется заряд конденсатора, затем его разряд через тиристор и т. д Ограничительный резистор включается для того, чтобы ток в тиристоре не превысил максимального значения. Чем больше величины резистора и конденсатора, тем медленнее происходит заряд и тем ниже частота получаемого напряжения. Его амплитуда определяется значением l/gin и может регулироваться изменением напряжения управляющего электрода Uy. Обычно в
Рис. 2.12. Генератор пилообразного напряжения с тиристором
цепь управления также включают резистор для ограничения тока.
В рассмотренном генераторе форма пилообразного напряжения для многих случаев неудовлетворительна, так как нарастание напряжения происходит по экспоненте. Чтобы получить линейное нарастание напряжения, надо сделать ток заряда конденсатора постоянным. Для этого вместо резистора R можно включить транзистор по схеме с общей базой, а тогда, как известно, при изменении напряжения Uб ток коллектора почти не изменяется.
Представляет интерес применение триодных тиристоров в генераторах синусоидальных колебаний. В таких генераторах тиристор работает как ключ и подключает с нужной частотой источник питания к колебательному контуру. Поэтому колебания в этом контуре становятся незатухающими, а сам тиристор управляется напряжением от колебательного контура. Тиристорные генераторы обладают высоким КПД, так как в самом тиристоре потери незначительны. Но вследствие инерционности процессов включения и особенно выключения тиристора подобные генераторы могут работать только на сравнительно низких частотах. Поскольку тиристоры выпускаются на большие токи, то тиристорные генераторы можно построить на значительно большие мощности, нежели генераторы с транзисторами.
Помимо рассмотренных существуют еще диодные и триодные тиристоры, проводящие в обратном направлении. Структура их такова, что с электродами тиристора имеют контакт не только крайние эмиттерные области, но и средние базовые. Поэтому при подаче обратного напряжения между электродами действует только одно прямое напряжение среднего перехода, т.е. тиристор будет в открытом состоянии.