12.2 Диодный тиристор

Диодный тиристор (динистор)– это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура, показанная на рисунке 12.3.

Рисунок 12.3 - Структура диодного тиристора (а),

двухтранзисторная модель тиристора(b)

Четыре слоя полупроводника образуют три p-nперехода П1, П2 и П3. Кроме них есть еще два омических перехода, один из которых между слоемp₁ и металлическим электродом, называемыманодом, а второй – между слоемn₂ и металлическим электродом, называемымкатодом.

Свойства тиристора отображаются его вольтамперной характеристикой (рисунок 12.4).

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямогонапряжения, то есть положительный потенциал на аноде, а отрицательный – на катоде. В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называютэмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называетсяколлекторным. Таким образом, у динистора двеэмиттерные области (p₁ иn₂-эмиттеры) и двебазовые области(n₁иp₂-базы). Эмиттерные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые. Большая часть внешнего напряжения падает на закрытом коллекторном переходе П2. Через тиристор протекает ток закрытого коллекторного перехода П2, который создается неосновными носителями заряда областейр₂ (электронами) иn₁(дырками), что соответствует участку 1 вольтамперной характеристики динистора (рисунок 12.4).

Рисунок 12.4 – Вольт-амперная характеристика динистора

При достижении анодным напряжением значения происходит лавинный пробой перехода П2, концентрация неосновных носителей лавинно увеличивается, что приводит к росту анодного тока (участок 2). Носители заряда, поступившие в областиn₁и р₂,не успевают рекомбинирововать и накапливаются: электроны вn₁области, а дырки - вр₂области. Появившиеся заряды компенсируют внешнее электрическое поле, наблюдается смена полярности электрического поля, приложенного к переходу П2. Переход П2 открывается, и тиристор переходит в открытое состояние (участок 3). Этот процесс протекает с большой скоростью, что объясняется положительной внутренней обратной связью. Наличие связи можно установить, анализируя двухтранзисторную модель (рисунок 12.3,b), Она состоит из двух транзисторов:VT1p-n-p типа иVT2n-p-n типа. Эмиттерные переходы тиристора являются эмиттерными переходами транзисторов, а коллекторный переход тиристора является общим коллекторным переходом обоих транзисторов. Слойn₁– это базаVT1 и коллекторVT2, а слойp₂– базаVT2 и коллекторVT1, то есть коллекторный ток первого транзистора является базовым током второго, и наоборот.

Анодный ток тиристора складывается из токов коллекторов транзисторовVT1 иVT2

(12.1)

и определяется следующими выражениями:

, (12.2)

, (12.3)

, (12.4)

, (12.5)

где и- дырочная и электронная составляющие обратного тока через переход П2,

- суммарный обратный ток через переход П2,

и - коэффициенты передачи по току транзисторовVT1 и VT2.

Последнее выражение позволяет показать, что при малых анодных токах, когда , (это объясняется рекомбинацией носителей заряда в базовых областях), то. После пробоя при увеличении тока все центры рекомбинации оказываются занятыми,, а. Процесс переключения форсируется положительной обратной связью. Действительно, как видно из двухтранзисторной модели токоткрывает транзисторVT2, а ток , в свою очередь, открывает транзисторVT2.

Участок 4 вольт-амперной характеристики (рис.4) соответствует открытому состоянию тиристора. Все три p-n-перехода находятся под прямым напряжением. Падение напряжения на открытом тиристоре равно падению напряжения на одном p-n-переходе (диоде), т.к. напряжения на переходах П2 и П3 имеют противоположную полярность и компенсируют друг друга.

При обратном включении тиристора, когда к аноду приложен положительный полюс, а к катоду - отрицательный полюс источника переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, а П2 - под прямым. Через тиристор протекает обратный ток p-n-перехода (участок 5).

При превышении обратного напряжения значения происходит возрастания тока (участок 6). Это объясняется пробоем перехода П1. Для защиты тиристора от перенапряжений пробою придают лавинный характер, такие тиристоры называют лавинными.