Тиристор

1. Цель и содержание работы

Ознакомиться с вольт-амперными характеристиками и основными параметрами тиристора. В работе снимается семейство вольт-ампер-ных характеристик тиристора при различных токах управления и определяются основные статические параметры.

2. Основные параметры тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойнуюp–n–p–n-структуру, имеющую выводы от двух крайних областей и от внутренней базовой областиp-типа.

На рис. 4.1 дано схематическое изображение такой структуры и пример обозначения на схеме.

–

Рис. 4.1. Структура и условное схемное обозначение тиристора

Если на четырехслойную структуру подать напряжение полярности, показанной на рис. 4.1, то переходы П₁и П₂будут смещены в прямом направлении, а переход П₂– в обратном. Такую структуру можно представить в виде комбинации двух транзисторов:p–n–p-тран-зистора с эмиттерным переходом П₁и коллекторным П₂иn–p–n-тран-зистора с эмиттерным переходом П₃и коллекторным переходом П₂, соединенных между собой согласно рис. 4.2. Пусть– коэффициент передачи токаp–n–p-транзистора и он определяет часть дырочного тока, инжектированную эмиттером П₁и достигающую коллектора П₂.– коэффициент передачиn–p–n-транзистора, определяет часть электронного тока, инжектированного эмиттером П₃и достигающего коллектора П₂. Через переход П₂будет протекать как дырочный токp–n–p-транзистора, равный, так и электронный –n–p–n-транзис-тора, равный, а также обычный ток утечки перехода, смещен-ного в обратном направлении.

–

Рис. 4.2. Эквивалентная схема тиристора

Полный ток через переход

, (4.1)

поскольку ,

. (4.2)

Если , то ток– мал, что соответствует состоянию тиристора «выключен» или «закрыт» (участок 1, рис. 4.3). Если суммаблизка к единице, то знаменатель почти равен нулю и ток ограничивается лишь сопротивлением внешней цепи. Это соответствует состоянию «включен» или «открыт».

I_A

I_НОМ

4

3

2

1

I_УД

I_У > I_ОТ

I_У > I₀

I_У = 0

U_A

U_ОТКР

Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

В основе переключающего действия p–n–p–n-структуры лежит зависимость коэффициента передачи тока от электрического режима. В кремниевой структуре существенную роль играют процессы рекомбинации в области пространственного зарядаp–n-переходов, коэф-фициент передачи тока при малых плотностях эмиттерного тока очень мал и лишь постепенно растет с увеличением общего тока. С ростом напряжения токвозрастает из-за процессов лавинного умножения в переходе П₂.

ВАХ тиристора с учетом лавинного умножения можно получить заменой и, где– коэффициент умножения,

, (4.3)

где = 3.5 для кремния;– напряжение пробоя коллекторного перехода; объединяя (4.2) и (4.3), получим

(4.4)

Выполнив умножение в знаменателе, получим

. (4.5)

Если , то

. (4.6)

Напряжение включения , при котором начинается резкое нарастание анодного тока, определяется напряжением пробоя коллекторного перехода П₂и коэффициентом передачи тока в точке включения.

С ростом токов ирастут коэффициенты передачи токаии при, близком к единице, начинается значительный рост тока (участок2, рис. 6.3); напряжение на структуре падает (учас-ток3, там же). Прибор из запертого состояния переходит в открытое (участок4, там же).

Падение напряжения на включенном тиристоре складывается из напряжений на трех переходах. На прямосмещенном коллекторном переходе П₂напряжение направлено встречно напряжениям на П₁и П₃. Поэтому суммарное напряжение на включенном тиристоре невелико и составляет около 1 В.

Если создать дополнительный вывод к одной из базовых областей четырехполосной структуры, то, подавая небольшое положительное смещение на эмиттерный переход, можно изменять ток, протекающий в одном из транзисторов, и тем самым общий коэффициент передачи тока . Это дает возможность управлять параметрами тиристора, меняя смещение на таком управляющем электроде. Для уменьшения величины управляющего тока, являющегося током рекомбинации, необходимо повысить коэффициент переноса для соответствующей базы, т. е. сделать ширину базымного меньше диффузионной длины. Поэтому для управления током через тиристор используют вывод от узкой базыp-типа, прилегающей к катоду.

На рис. 4.3 показано семейство ВАХ управляемой четырехслойной структуры при разных токах управляющего электрода. При некотором значении тока управления, называемом отпирающим , исчезает участок с отрицательным сопротивлением. В этом случае уже при малом общем токе тиристора сумма.

Семейство ВАХ (рис. 4.3) позволяет определить основные параметры тиристора, к которым относятся:

1) напряжение включения – максимальное прямое напряжение на тиристоре при= 0;

2) ток включения – максимальный прямой ток через тиристор в закрытом состоянии при= 0,= 0;

3) напряжение выключения – минимальное прямое напряжение на открытом тиристоре при= 0,= 0;

4) удерживающий ток , или ток удержания – наименьший анодный ток, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии при= 0;

5) напряжение на открытом тиристоре – падение напряжения на открытом тиристоре при номинальном токе;

6) ток закрытого тиристора , при;

7) обратный ток тиристора , соответствующий обратному предельно допустимому напряжению;

8) отпирающий ток , или ток отпирания – минимальный ток управления, включающий тиристор при= 10 В.