2.6. Тиристоры и динисторы

Тиристоры и динисторы относятся к группе четырехслойных полупроводниковых элементов со структурой p-n-p-n или n-p-n-p. Таким образом, в каждом из элементов имеется по три электронно-дырочных перехода. Наружные выводы в тиристорах присоединены к трем слоям полупроводника – крайним и одному внутреннему, в динисторах наружных выводов только два и подача сигнала на внутренние слои невозможна. Электроды, соединенные с крайними полупроводниковыми слоями у тиристора и динистора имеют те же названия, что и у диода – анод и катод. Электрод, соединенный с одним из внутренних слоев тиристора, называется управляющим электродом (УЭ): если УЭ присоединен к внутреннему слою, примыкающему к аноду, говорят, что тиристор «имеет управление по аноду», а если к слою, соседнему с катодом – «управление по катоду».

На рис. 2.8 приведены условные обозначения тиристоров и динистора в принципиальных электрических схемах. В отличие от транзисторов, ток через которые можно плавно регулировать напряжением, подаваемым на базу или затвор (в линейном режиме), тиристор и динистор являются переключающими элементами с двумя состояниями – открытым и закрытым. При этом физические процессы при открывании закрытого тиристора (динистора) и закрывании открытого коренным образом отличаются.

Рис.2.8

Допустим, что на четырехслойную полупроводниковую структуру подали небольшое напряжение так, что «плюс» приложен к аноду (представляющему собой p-слой), а «минус» - к катоду (к n-слою). Очевидно, что для обоих крайних электронно-дырочных переходов такое распределение потенциалов стимулирует их открывание, а вот средний переход останется закрытым. Чтобы через динистор или тиристор потек ток анод-катод, надо открыть все три перехода, однако это случается только при достижении внешним напряжением некоторого уровня, именуемого напряжением включения U_вкл.

Рис 2.9

Физические процессы, приводящие к открыванию среднего p-n-перехода, заключаются в следующем: через открытый переход, примыкающий к аноду, в направлении среднего слоя диффундируют дырки, которых отталкивает приложенный к аноду «плюс». Дальше среднего слоя, примыкающего к аноду, дыркам не пройти, пока средний переход закрыт – поэтому идет их накопление. Процессы, происходящие вблизи катода, аналогичны «с точностью до наоборот» рассмотренным процессам вблизи анода – они приводят к накоплению электронов в среднем слое, примыкающем к катоду. В результате накопления заряженных частиц по обе стороны перехода образуется диффузионное электрическое поле, компенсирующее внешнее и средний электронно-дырочный переход открывается. Теперь, когда все три перехода открыты, сопротивление тиристора или динистора становится малым, а ток через них – значительным. Тиристор, у которого имеется УЭ, можно открыть, не дожидаясь накопления зарядов вокруг среднего p-n-перехода. Для этого надо подать на внутренний слой короткий импульс такой полярности, чтобы переход открылся – «помочь» диффузионному электрическому полю. При закрывании тиристора или динистора необходимо снизить напряжение между анодом и катодом: «выключение» обоих элементов не сопровождается скачкообразными процессами, свойственными для их «включения». Вольт-амперные характеристики тиристора и динистора приведены на рис. 2.9. Два различных полупроводниковых элемента имеют, таким образом, одинаковые ВАХ. Отличие заключается в том, что U_вкл у динистора не зависит от внешнего воздействия, а у тиристора может быть снижено подачей импульса требуемой полярности на управляющий электрод. Уменьшение U_вкл тиристора при подаче импульса на УЭ называется «спрямлением» ВАХ, в действительности становящейся менее изогнутой на этапе открывания элемента.

Тиристоры и динисторы, как правило, используются для переключения довольно больших токов. В справочной литературе по электронике тиристоры и динисторы часто размещают в одних томах с диодами, стабилитронами и варикапами.