Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Тиристоры подразделяют на: запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их состав входит группа выключаемых тиристоров.

Условные обозначения тиристоров приведены на рисунке 3.97.

Простейшие динисторы, запираемые в обратном направлении, обычно изготавливаются из кремния и содержат четыре чередующихся p- и n-области (рис. 3.98а).

Область p1, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область n2 — катодом; области n1, p2 —

базами.

Если к аноду p1 подключить плюс источника напряжения, а к катоду n2 — минус, то переходы Π1 и Π3 окажутся открытыми, а переход Π2 — закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения

Рис. 3.97

Условные обозначения тиристоров:

1 — диодный; 2 — диодный симметричный; 3 — триодный незапираемый с управлением по аноду; 4 — триодный незапираемый с управлением по катоду; 5 — триодные симметричные; 6 — триодный запираемый с управлением по аноду; 7 — триодный запираемый с управлением по катоду.

Рис. 3.98

Структура динистора (а); структура (б)

и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (в)

почти все приложенное напряжение падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рисунке 3.98б, в. Ток цепи определяется током коллекторного перехода Π2. Он однозначно зависит от потока дырок α1I из эмиттера транзистора p-n-p-типа и потока электронов α2I из эмиттера транзистора n-p-n-типа, а также от обратного тока p-n- перехода.

Так как переходы Π1 и Π3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки — из области p1, электроны — из области n2. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз n1, p2, приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через p-n-переход. Дырки, инжектированные из p1-области, и электроны из n2 движутся через переход Π2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I.

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе Π2. Поэтому к переходам Π1, Π3, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход Π2, т.е. Iко. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода Π2, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области p-n-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p2, а электроны — в область n1. Ток через переход Π2 увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам Π1, Π3, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и уве-

382 Р А З Д Е Л 3

личение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода Π2 становится малым.

Носители заряда, появившиеся вследствие инжекции и лавинообразного размножения, приводят к уменьше-

ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Для определения тока, протекающего через динистор, рассмотрим его двухтранзисторную модель (см. рис. 3.98в). Токи коллекторов транзисторов n2-p2-n1- и p1- n1-p2-типов соответственно равны

где Iкбо1, Iкбо2 — обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1, VT2; α1, α2 — коэффициенты передачи эмиттерного тока.

Так как I = Iк1 + Iк2, то с учетом (3.72) получим

Если считать, что коэффициент лавинного умножения Mл в переходе Π2 для дырок и электронов имеет одинаковые значения, то выражение (3.73) примет вид

I = Mл[I(α1 + α2) + Iкбо1 + Iкбо2] = MлIко/(1 – Mлα), (3.74)

где α = α1 + α2; Iко = Iкбо1 + Iкбо2; Iко — обратный ток перехода Π2, равный сумме теплового тока, тока термогенерации и тока утечек.

Диодный тиристор переключается, когда Mлα = 1. В этом случае ток I ограничен сопротивлением внешней цепи R, так как собственное сопротивление тиристора мало. Выключение динистора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток I = U/R меньше Iуд (участок 3 на рисунке 3.99). Если параллельно с динистором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении. Тиристоры (рис. 3.100) отличаются от динисторов тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

а б в

Рис. 3.100

Тиристор:

а — структура; б — вольт-амперная характеристика; в — характеристики, поясняющие процесс включения; 1 — линия нагрузки.

При подаче в цепь управляющего электрода тока управления Iу ток через p2-n2-переход увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через p-n-переход приводит к увеличению тока Iк2 на величину α2Iу:

Увеличение тока через запертый коллекторный p-n- переход в первом приближении аналогично увеличению приложенного напряжения, так как в обоих случаях увеличивается вероятность лавинного размножения носителей заряда. Поэтому изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора показано на рисунке 3.100б.

Для того чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения I < Iуд путем понижения питающего напряжения до значения ниже U2, либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности. Процесс включения и выключения тиристора поясняет рисунок 3.100в. Если к нему через резистор R приложено напряжение U1 и ток в цепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении a. При увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения Iу1, тиристор включится и рабочая точка переместится в точку b. Для выключения необходимо (при Iу = 0) уменьшить напряжение питания до значения U < U2. При этом рабочая точка из b1 перейдет в а2 и при восстановлении напряжения — в точку a.

Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Наличие его приводит к уменьшению концентрации носителей заряда в базе и уменьшению коэффициентов α1 и α2. При Mлα < 1 тиристор выключается и в его цепи протекает малый ток, значение которого равно Iобр.

Недостатком такого выключения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания: K = I/Iу обр. Он характеризует эффективность выключения тиристора с помощью управляющего электрода и в ряде разработок составляет величину 4–7.

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми, или запираемыми.

Симметричные тиристоры. В настоящее время выпускаются симметричные тиристоры, вольт-амперные характеристики которых одинаковы в I и III квадрантах (рис. 3.101а). Они выполнены на основе пятислойных

структур и носят название симисторов. При подаче на управляющий электрод сигнала одной полярности симисторы включаются как в прямом, так и в обратном направлениях. Тиристоры применяют в промышленности в качестве элементов, регулирующих электрическую мощность. Если, например, тиристор включить последовательно с сопротивлением нагрузки (рис. 3.102а) и управлять моментом включения тиристора сигналами переменного тока, то через нагрузку будут протекать импульсы тока iн (рис. 3.102б). Действующее значение iн зависит от момента включения. В приведенной схеме момент включения определяется фазовым сдвигом ϕ напряжения управления. Фазовый сдвиг создает регулируемый фазовращатель Ф, включенный в цепь управляющего электрода.

Используя участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, можно создать генераторы релаксационных колебаний (рис. 3.102в), принцип действия которого состоит в следующем. Пока

Рис. 3.101

Вольт-амперная характеристика симистора (а); подключение напряжений, обеспечивающих включение тиристоров: с управлением по катоду (б), по аноду (в), управление симистором (г)

Рис. 3.102

Включение тиристора в цепь для регулирования мощности (а); диаграммы напряжений и токов в цепи (б); релаксационный генератор импульсов (в)

напряжение на тиристоре меньше напряжения переключения (Uпрк), конденсатор C заряжается через резистор R. Напряжение на нем увеличивается по экспоненциальному закону. При включении тиристора (Uс = Uпрк) конденсатор C быстро разряжается. Когда ток становится меньше Iуд, тиристор выключается. Процессы зарядки и разрядки периодически повторяются. Данная электрическая цепь генерирует периодические импульсы экспоненциальной формы.

Как самостоятельный прибор тиристор используется в микроэлектронных структурах относительно редко (он применяется в качестве ключа в мощных специализированных микросхемах малой степени интеграции). Однако структура p-n-p-n очень часто формируется как паразитная структура, при изготовлении МОП и биполярных микросхем. На рисунке 3.103 показано поперечное сечение обычного КМОП-инвертора. Сток p-канального транзистора обычно подключается к источнику питания, а исток n-канального транзистора — к земле. Нетрудно видеть, что между питанием и землей имеется паразитная четырехслойная p+-n-p-n+-структура, которая должна находиться в закрытом состоянии. Если этот паразитный тиристор откроется, например, при воздействии помехи, то через структуру потечет очень большой ток, так как

Рис. 3.103

Поперечное сечение КМОП-инвертора

сопротивление нагрузки в этом случае близко к нулю. Это может привести к выгоранию структуры, т. е. выходу из строя микросхемы, так как после открывания паразитный тиристор остается в этом состоянии бесконечно долго.

Описанный эффект носит название эффекта «защелки» и для его устранения используется комплекс конструктивно-технологических и схемотехнических мер. Конструктивно-технологические решения направлены на уменьшение коэффициентов усиления (снижение времени жизни, выбор соответствующей топологии), с тем чтобы их сумма αp + αn не превышала единицы при любых токах. В этом случае паразитный тиристор не может устойчиво находиться в открытом состоянии. Схемотехнические меры сводятся к подавлению влияния электрических помех.

3.6.2. Основные параметры тиристоров

1.Напряжение переключения: постоянное — Uпрк, импульсное — Uпрк и (десятки — сотни вольт).

2.Напряжение в открытом состоянии Uос — падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии (1–3 В).

3.Обратное напряжение Uобр — напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы — тысячи вольт).

4.Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uзс — максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включения тиристора (единицы — сотни вольт).

5.Неотпирающее напряжение на управляющем электроде Uу нот — наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора (доли вольт).

6.Запирающее напряжение на управляющем электроде Uуз — напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы — десятки вольт).

7.Ток в открытом состоянии Iос — максимальное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер — сотни ампер).

8.Ток удержания Iуд (десятки — сотни миллиампер).

9.Обратный ток Iобр (доли миллиампер).

10.Отпирающий ток управления Iу от — наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер).

11.Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии — максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (от десятков до сотен В/мкс).

12.Время включения tвкл — время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения (единицы — десятки микросекунд).

13.Время выключения tвыкл — минимальное время,

втечение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки — сотни микросекунд).

14.Рассеиваемая мощность P (единицы — десятки

ватт).

Обозначения тиристоров состоят из шести элементов. Первый элемент — буква К, указывающая исходный материал полупроводника; второй — буква Н для диодных тиристоров и У для триодных; третий — цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый — порядковый номер разработки; шестой — буква, определяющая технологию изготовления, например КУ201А, КН102И и т. д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение тиристора.

2.Как делят тиристоры в зависимости от конструктивных особенностей?

3.Как подразделяют динисторы?

4.Как подразделяют тиристоры?

5.Приведите условные обозначения тиристоров.

6.Нарисуйте структуру динистора.

7.Нарисуйте структуру и схему двухтранзисторного эквивалента динистора.

8.Нарисуйте вольт-амперную характеристику динистора.

9. Поясните принцип работы динистора.

10.Запишите выражение для тока, протекающего через динистор.

11.Чем отличается тиристор от динистора?

12.Нарисуйте структуру и вольт-амперную характеристику тиристора.

13.Запишите выражение для тока, протекающего через тиристор.

14.Нарисуйте характеристики, характеризующие процесс включения и выключения тиристора.

15.Дайте определение и запишите выражение для коэффициента запирания тиристора.

16.Какие тиристоры называются выключаемыми или запираемыми?

17.Какие вольт-амперные характеристики у симметричных тиристоров (симисторов)?

18.Нарисуйте схемы подключения напряжений, обеспечивающих включение тиристоров с управлением по катоду и по аноду.

19.Нарисуйте схему управления семистора.

20.Нарисуйте схему включения тиристора в цепь для регулирования мощности, диаграммы напряжений и токов в цепи, а также релаксационного генератора импульсов.

21.Перечислите и охарактеризуйте основные параметры тиристоров.

22.Как обозначаются тиристоры?

23.Почему ВАХ тиристора имеет участок отрицательного сопротивления?

24.Что такое эффект «защелки» в КМОП-инвер- торе?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Щука, А. А. Электроника : учеб. пособие / под ред. проф. А. С. Сигова. — СПб. : БХВ-Петербург, 2005. — 800 с.

2.Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов. — 2-е изд. — М. : Лаборатория базовых знаний, 2003. — 488 с.