лекции прохоров

підвищує загальний ККД підсилювача потужності;

– динамічний діапазон посилення СІТ ширше, що приводить до зниження нелінійних викривлень, що вносяться непарними гармоніками високого порядку в двотактних підсилювальних режимах.

101

5 ТИРИСТОРИ

5.1 Загальні відомості

Тиристор - це чотиришаровий напівпровідниковий прилад, що володіє двома стійкими станами: станом низької провідності (тиристор закритий) і станом високої провідності (тиристор відкритий). Перевід тиристора із закритого стану у відкритий в електричному колі здійснюється зовнішньою дією на прилад. До числа факторів, що найбільш широко використовуються для відпирання транзистора, відноситься дія напругою струмом або світлом (фототиристори).

На рисунку 5.1 приведені умовні графічні позначення тиристорів різних типів. В діодних тиристорах (динисторах) (рис.5.1 а) перехід із закритого стану у відкритий зв'язаний з тим, що напруга між анодом і катодом досягає деякої граничної величини, що є параметром приладу. В тріодних тиристорах (рис. 5.1 б-д) управління станом проводиться по колу третього - управляючого електроду. По колу управляючого електроду при цьому можуть виконуватися одна або дві операції зміни стану тиристора. Залежно від цього розрізняють одно- і двохопераційні тиристори. В одноопераційних тиристорах (рис. 5.1 б) по колу управляючого електроду здійснимо тільки відмикання тиристора. З цією метою на управляючий електрод подається імпульс напруги. Замикання одноопераційного тиристора, а також динистора проводиться по колу анода зміною полярності напруги анод-катод. Симетричні тиристори (симистори) (рис. 5.1 в) можуть перемикатися у відкритий стан в обох напрямах. Тиристори-діоди (тиристори із зворотною провідністю) (рис.5.1 г) на відміну від тиристорів за відсутності сигналу управління проводять у зворотному напрямі. Двохопераційні тиристори (рис.5.1 д) допускають по колу управляючого електроду, як відмикання, так і замикання приладу. У фототиристорах (рис. 5.1 е) відмикання приладу проводиться за допомогою світлового імпульсу. Тиристорна оптопара (оптотиристор) (рис. 5.1 ж) управляється внутрішнім оптичним сигналом.

102

Всі перераховані прилади виконують функцію безконтактного ключа, що володіє односторонньою провідністю струму. Прилад, що дозволяє проводити струм в обох напрямах, називають симетричним тиристором (симистором). По своєму призначенню симистор (рис. 5.1 в) покликаний виконувати функції двох звичайних тиристорів (рис. 5.1 б), включених стрічно-паралельний.

Далі розглянутий принцип дії одноопераційного тиристора, як найпоширенішого, а для інших типів показані їх особливості.

5.2 Основні фізичні процеси в тиристорі. Принцип дії

Тиристор є чотиришаровою напівпровідниковою структурою типу р-n-р- n з трьома р-n-переходами (рис. 2.2 а), в якій р1-слой виконує функцію анода, а n2-слой - катода. Управляючий електрод зв'язаний з р1-слоем структури. Основний матеріал у виробництві тиристорів - кремній. Чотиришарова структура звичайно створюється за дифузійною технологією.

На рисунку 5.2 б) показана його вольт-амперна характеристика, його

Рисунок 5.2

103

Розглянемо зворотну вітку вольт-амперної характеристики тиристора, яка знімається при струмі управління Iу=0. Зворотній напрузі тиристора (Е<0, Uак<0) відповідає підключення зовнішньої напруги негативним полюсом до анода і позитивним - до катода. Полярність напруги на тиристорі і його розподіл по переходах структури показані на рисунку 5.3.

Прикладення зворотної напруги до тиристора викликає зміщення середнього переходу П2 в прямому напрямі, а двох крайніх переходів П1 і П3 – в зворотному. Перехід П2 відкритий, і падіння напруги на ньому мале. Тому можна припустити, що зворотна напруга Ub розподіляється головним чином по переходах П1 і П3. Проте в процесі виготовлення тиристора концентрація домішки в р2- і n2-шарах забезпечується достатньо високої в порівнянні з концентрацією в р1- і n1-слоях і перехід П3 виходить вузьким. З прикладенням зворотної напруги перехід П3 вступає в режим електричного пробою при напрузі, істотно меншій робочих напруг Ub. Зворотна напруга, по суті, прикладається до переходу П1, тобто зворотна вітка вольт-ампернойї характеристики тиристора (рис. 5.2 б) є зворотною віткою вольт-амперної характеристики пере-

ходу П1. Таким чином, здатність тиристора витримувати зворотну напругу

104

покладається на р-n-перехід П1 і, відповідно, аналіз зворотної вольт-амперної характеристики діода цілком застосовний до цього р-n-переходу.

Проведемо аналіз роботи тиристора при підключенні до нього напруги в прямому напрямі (Е > 0, Uак > 0). Полярність зовнішньої напруги на тиристорі і переходах структури показана на рисунку 5.4. При цьому крайні переходи П1, П3 зміщуються в прямому напрямі, а середній перехід П2 - в зворотному. Таким чином, напруга на приладі виявляється прикладеною практично до переходу П2. Розглянемо випадок відсутності струму управління (Iу = 0). Цей режим, як і попередній, справедливий і для динистора.

Аналіз процесів в тиристорі при Uак>0 зручно проводити, скориставшись так званою двохтранзисторною аналогією.

105

За наявності на тиристорі напруги в прямому напрямі його можна представити у вигляді двох транзисторів типів p-n-p і n-p-n: транзистора Т1 типа p1- n1-p2 і транзистора Т2 типу n2-p2-n1 (рис. 5.4 б). Емітерним переходом для першого транзистора є перехід П1, для другого транзистора Т2 - перехід П3. Перехід П2 служить загальним переходом колектора обох транзисторів. При цьому полярність напруг на переходах відповідає тій, яка потрібна для роботи обох транзисторів в підсилювальному режимі: емітерні переходи зміщені в прямому напрямі, а колектор - в зворотному.

Представивши тиристор у вигляді поєднання транзистора Т1 з коефіцієн-

ефіцієнтів α1 і α2 від струму. Приблизний вид цієї залежності показаний на ри-

сунку 5.5. Більше значення коефіцієнта α2 в порівнянні з α1 пояснюється меншою товщиною р2-базы в порівнянні з n1-базой. У зв'язку з цим n1-базу часто називають товстою, а р2-базу – тонкою. Необхідна залежність коефіцієнтів α від струму створюється в процесі виготовлення приладів. Так, наприклад, широко застосовується шунтування переходу П3, що приводить до зменшення ефективності емітера транзистора Т2 і коефіцієнта α2 в області малих струмів.

На початковій ділянці 0−б вольт-амперной характеристики тиристора (рис. 5.2 б), відповідній малим значенням прямої напруги Uа,

струм Iа малий. Коефіцієнти α1 і α2 близькі до нуля. Близькі до нуля також складаючи струмів α1IЕ1 і α2IЕ2 переходу П2. Струм через перехід П2, а, отже, і струм через тиристор Iа буде рівний струму IК, тобто в даному випадку визначатиметься зворотним (тепловим) струмом IК0 переходу П2. Таким чином, по-

чаткова ділянка 0−б прямою вітки вольт-амперної характеристики тиристора є зворотною вітки вольт-амперної характеристики р-n-переходу П2, зміщеного у зворотному напрямі.

У міру зростання анодної напруги, а, отже, і напруги на переході колектора збільшуються струм IК і анодний струм через тиристор. Причина зростання струму IК зв'язана, як відомо, із збільшенням струму витоку по поверхні переходу і множенням в ньому носіїв заряду. Збільшення струму через прилад су-

проводжується підвищенням коефіцієнтів α1 і α2. З деякого значення струму Iа

необхідно враховувати складові струмів транзисторів α1IЕ1 і α2IЕ2, що протікають через перехід колектора. Унаслідок того, що підвищення напруги Uа при-

водить до збільшення струму IК, а також складаючих α1IЕ1 и α2IЕ2, на вольт-

амперній характеристиці з'являється ділянка б−в з більш сильною залежністю струму від напруги Uа.

Струм Iа можна знайти, визначивши струм IП2, що протікає через перехід колектора:

107

IП2 = α1IЕ1 + α2IЕ2 + IК .

З урахуванням того, що в будь-якому перетині приладу при Iу = 0 протікає один і той же струм Iа (IП2 = IЕ1 = IЕ2 = Iа), співвідношення набуває вигляд

IП2 = Iа = (α1 + α2) Iа + IК,

Звідки

б−в струм Iа зростає за рахунок збільшення струму IК і суми (α1 + α2), яка не досягає одиниці на цій ділянці.

У міру наближення до точки в збільшення струму через прилад відбува-

ється головним чином за рахунок складаючих α1IЕ1 і α2IЕ2, а не за рахунок збільшення струму IК = IК0, що викликається підвищенням напруги на переході

П2. В точці в роль складаючих α1IЕ1 і α2IЕ2 і їх суми (α1 + α2) Iа стає вельми значною і подальше збільшення струму відбувається за рахунок зменшення опору переходу П2 і відповідно напруги на ньому. Зменшення напруги на переході по-

яснюється тим, що збільшення складаючих струмів α1IЕ1 і α2IЕ2 через перехід П2 викликає збільшення потоку електронів в n1-базу і дірок в р2-базу і відповідно поява в базах надмірних носіїв заряду, що знижують потенційний бар'єр переходу колектора. Одночасно з цим надлишкові носії заряду в базах знижують потенційні бар'єри емітерних переходів П1 і П3, викликаючи додаткову інжекцію носіїв заряду. Це приводить до ще більшого зростання коефіцієнтів

α1 і α2 і заповнення носіями заряду обох баз тиристора. В приладі діє внутрішній позитивний зворотний зв'язок, що приводить до лавиноподібного розвитку процесу його відмикання.

напруга на переході П2 рівна нулю, струм IК = 0, сума коефіцієнтів α1+α2 =1.

Струм через перехід П2 рівний сумі складаючих α1IЕ1 і α2IЕ2. Напруга на приладі Uа в точці г рівна сумі напруг на переходах П1 і П3, зміщених в прямому напрямі.

При переміщенні по кривій від точки г до точки д струм через тирис-

тор зростає, що збільшує коефіцієнти α1 и α2, а також їх суму (α1+α2 >1). Баланс складових струмів через перехід колектора досягається зміною полярності напруги на переході П2 («переполюсовка» переходу колектора на рис. 5.4 а), унаслідок чого струм IК змінює напрям. Іншими словами, перехід колектора під дією надлишкових зарядів - дірок в р2-базе і n1-базе, створюваний потоками носіїв відповідно першого і другого транзисторів, переводиться в провідний стан, забезпечуючи стрічну інжекцію носіїв заряду (струм IК тепер уже не є зворотним струмом переходу колектора П2).

На ділянці г-д всі три р-n-переходи приладу знаходяться під прямою напругою зміщення. Напруги на переходах П1, П3 протилежні по знаку напруги на переході П2. У зв'язку з цим падіння напруги на приладі (0,75 - 1,5 В) приблизно рівне падінню напруги на одному переході (як в діоді). Збільшення па-

діння напруги на тиристорі при русі по кривій від точки г до точки д пояснюється підвищенням напруги на переходах і зростанням падіння напруги в шарах напівпровідникової структури із збільшенням струму.

Розглянемо роботу тиристора за наявності струму управління. При Iу > 0 також справедливий вираз, що визначає струм переходу колектора по його складових. Як і у попередньому випадку, IП2 = IЕ1= Iа, але в струм IЕ2 входитиме Iу, тому IЕ2= Iа+ Iу . З урахуванням приведених співвідношень, одержимо

значенням коефіцієнта α2 унаслідок зростання струму IЕ2 на величину струму управління. Зважаючи на додаткову складову α2·Iу в струмі переходу колектора і підвищення коефіцієнта α2 перемикання тиристора із закритого стану у відкритий відбувається при меншій напрузі на приладі (рис. 5.2 б). Процес, пов'язаний з переходом тиристора із закритого стану у відкритий відбувається при Iу ≠ 0 подібно розглянутому. Вплив струму Iу на вольт-амперну характеристику тиристора ілюструють ділянки кривих 0-е і 0–ж, показані для двох значень струму управління Iу2 > Iу1.

При деякому значенні струму управління ділянка закритого стану тиристора на прямій вітці вольт-амперної характеристики зникає і характеристика наближається до прямої гілки вольт-амперної характеристики простого р-n- переходу (вітка 0–г–д). Спостерігається так зване випрямлення характеристики. Значення струму Iу, при якому відбувається випрямлення характеристики, визначає струм управління випрямлення Iу. спр.

Тиристор як ключовий елемент знайшов широке вживання в колах постійного і змінного струмів. Розглянутий режим роботи, коли відмикання приладу слідує після досягнення на ньому напруги перемикання Uпер (перемикання по колу анода), використовується лише в схемах з динисторами.

Для тиристора перемикання по колу анода представляє інтерес лише з погляду аналізу принципу дії і вольт-амперної характеристики цього приладу.

Практичне вживання знайшов режим відмикання по управляючому електроду,

тобто за рахунок подачі на управляючий електрод відмикаючого імпульсу напруги. Сутність цього режиму відмикання тиристора полягає в наступному.

В початковому стані тиристор закритий, струм управління рівний нулю. Напруга джерела живлення Е менша напруги перемикання тиристора Uпер . При Е > 0 робоча точка тиристора розташована на прямій вітці вольт-амперної характеристики 0 – в. Через навантаження і тиристор протікає малий струм, відповідний робочій точці на цій вітці. В необхідний момент часу подають імпульс управління Еу, задаючи необхідний для відмикання тиристора імпульс

110