Лекция 14 микроэлектроника

7 Тиристоры

Структуры с тремя pn-переходами дали жизнь классу многослойных переключателей – тиристоров. Термин “тиристор” происходит от сочетания греч. thyra – дверь и англ. resistor – сопротивление.

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более pn-перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот, их основное назначение в силовой электронике – управление мощностью в нагрузке.

Функционально тиристоры являются электронными ключевыми элементами, сопротивление которых при определенном пороговом напряжении на них изменяется с высокого (выключенное состояние) на низкое (включенное состояние).

Рис. 7.1. Схема диодного тиристора: а) структура диодного тиристора; б) энергетическая диаграмма.

Структура тиристора показана на рис. 7.1,а. Тиристор представляет собой четырехслойный прибор, содержащий три последовательно соединенных pn-перехода (П₁, П₂ и П₃), внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области – базами (Б₁, Б₂). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ – коллекторный. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П₁, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П₂. Крайнюю p-область называют анодной или р-эмиттером, а вывод от нее – анодом (А), крайнюю n-область называют катодной или n-эмиттером, а ее вывод – катодом (К). У тринисторов к одной из базовых областей сделан управляющий вывод (УЭ).

Напряжение питания (анодное напряжение) подводится к крайним p- и n-областям pnpn-структуры тиристора. Управляющий сигнал может подводиться к любой базовой области.

7.1 Вольт-амперная характеристика тиристора

Вольтамперные характеристики тиристоров относятся к S-образным характеристикам приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ тиристора имеет несколько различных участков (рис. 7.2).

Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора.

Положительным считается направление тока, втекающего в анодную область р-типа электропроводности, к которой подсоединен положительный полюс источника питания. Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением.

В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₃, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении.

Рис. 7.2 ВАХ тиристора: VG – напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу – минимальные удерживаемые ток и напряжение; Iв, Vв – ток и напряжение включения

Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ pn-перехода. На участке 1-2 дифференциальное сопротивление положительное и имеет большое значение. С ростом тока дифференциальное сопротивление постепенно уменьшается и в точке (2) становится равным нулю. Участок 2-3 соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению. Участок 3-4 характеризуется малым положительным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим характерные точки ВАХ тиристора. Точку, для которой напряжение на прямой ветви ВАХ тиристора максимально, называют точкой включения. Напряжение на аноде, соответствующее этой точке, называют напряжением включения U_в, а ток – током включения I_в.

В точке переключения дифференциальное сопротивление обращается в нуль, а напряжение на структуре достигает максимального значения, равного напряжению включения U_в.

Напряжение включения – это анодное напряжение в прямом направлении, при котором в двухэлектродном (динисторном) включении тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Напряжение включения обычно имеет небольшой запас относительно напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода.

Ток включения I_в – это такое значение анодного тока тиристора при прямом направлении, при превышении которого тиристор в двухэлектродном включении переключается в открытое состояние.

Если уменьшать ток через тиристор, то по достижении некоторого минимального тока, который необходим для поддержания его в открытом состоянии, называемого током выключения I_выкл или I_у (удерживающим), происходит переключение в закрытое состояние.

Эквивалентная схема тиристора может быть представлена с помощью двух транзисторов (рис. 7.3), таким образом, тиристор можно рассматривать как соединение рnр-транзистора с nрn-транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого.

Рис. 7.3. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

К катоду тиристора прикладывается отрицательное (или нулевое) напряжение, к аноду положительное. При положительном анодном напряжении эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Через эмиттерные переходы в базовые области инжектируются неосновные носители заряда. Посредством диффузии или дрейфа они перемещаются к коллекторному переходу. Часть носителей на этом пути рекомбинирует, а оставшиеся – достигают коллекторного перехода. Генерируемые в области ОПЗ коллекторного перехода электроны и дырки разделяются полем этого перехода и поступают соответственно в n-и p-базы. Для инжектированных эмиттерами носителей заряда в коллекторном переходе нет потенциального барьера, и они переходят в базовые области: дырки в p-базу, а электроны в n-базу.

Рис. 7.4. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом (а) состоянии

Задерживаемые потенциальными барьерами эмиттерных переходов, дырки и электроны образуют избыточные положительные и отрицательные заряды в соответствующих базах, что аналогично приложению прямого напряжения к эмиттерным переходам. Потенциальные барьеры эмиттеров понижаются, что вызывает увеличение инжекции дырок из p-эмиттера в n-базу и электронов из n эмиттера в p-базу.

При увеличении напряжения коллекторного перехода в области ОПЗ коллектора начинается лавинное умножение неосновных носителей, что приводит к росту потоков электронов и дырок и их накопление в соответствующих базах.

Появление дополнительного отрицательного заряда электронов в n-базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp-транзистора и инжекции дырок, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд электронов.

Рис. 7.5. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в открытом (б) состоянии

Появление дополнительного положительного заряда дырок в p-базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp-транзистора и инжекции электронов, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд дырок. Инжектированные дополнительно носители через коллектор попадают в соседнюю базу, способствуя дальнейшему открыванию соответствующих эмиттерных переходов и нарастанию тока. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предельно возможный в данной цепи ток, обусловленный внешней нагрузкой. При этом тиристор переходит во включенное состояние (отр. 3-4 на рис. 7.2), в котором он обладает минимальным сопротивлением. При этом как pnp-транзистор, так и npn-транзистор попадают в режим насыщения.

ВАХ тиристора в двухэлектродном включении представляет собой зависимость напряжения на аноде в функции тока анода U_A(I_A). При двухэлектродном включении тиристора ток управления равен нулю (I_У=0) и поэтому ток анода равен току катода I_A=I_K=I.

При задании тока I через тиристор эмиттеры pnp- и npn-структур инжектируют неосновные носители зарядов в базовые области соответствующих транзисторов, которые собираются общим для обеих структур коллектором.

Напряжение между анодом и катодом определяется суммой напряжений на ОПЗ рn-переходов структуры. В данном случае мы проводим простейший анализ и падением напряжения на областях квазиэлектронейтралых баз пренебрегаем:

UA = U1 - U2 + U3

(7.1)

Для электронного и дырочного токов коллекторного перехода можно записать: I_кp=α_p∙I_эp=α_p∙I_А, I_кn=α_n∙I_эn=α_n∙I_К, где I_кp, I_эp, I_кn – соответственно управляемые дырочные и электронные токи эмиттера и коллектора, α_p и α_n – коэффициенты передачи токов транзистора pnp и npn соответственно.

Общий ток тиристора I=∙I_А= I_К, будет включать как управляемые токи, так и тепловой ток коллекторного перехода I_к0:

I=αp∙IА +αn∙IК+Iк0=Iк0+(αp+αn)∙I

(7.2)

Откуда:

(7.3)

Ток анода, при котором выполняется условие = 1 является током включения I_в, так как при этом токе имеет место максимум кривой U(I).

Необходимым условием формирования S-образной ВАХ тиристора с участком отрицательного дифференциального сопротивления является зависимость суммы коэффициентов передачи тока α=α₁+α₂ от тока через структуру.

Из формулы (7.3) следует, что если

(α1 + α2) → 1,

(7.4)

то ток тиристора стремится к бесконечности. Таким образом (7.4) и будет условием включения тиристора. На рис. 7.5 показаны зависимости коэффициентов α_p=α₁, α_n=α₂ и α_S=(α₁+α₂) от тока через тиристор.

Рис. 7.5. Зависимости коэффициентов αp, αn и αS=(αp+αn) от тока через тиристор

Поскольку ток определяется напряжением на тиристоре, аналогичная зависимость будет, если использовать в качестве аргумента напряжение. При этом моменту включения тиристора будут соответствовать значения некоторого порогового тока и напряжения: I_в, U_в. Изменяя характер зависимости α_p(I) или α_n(I) возможно изменять значения тока и напряжения, при которых происходит переход тиристора в состояние с малым сопротивлением.

При увеличении тока эмиттера могут возрастать как коэффициент переноса æ, так и коэффициент инжекции γ. Увеличение коэффициента переноса может происходить вследствие появления ускоряющего электрического поля, уменьшения рекомбинационных потерь неосновных носителей заряда в базе и возрастания времени жизни носителей с ростом уровня инжекции.

Учтем еще один фактор – лавинное умножение в коллекторном переходе П₃ через коэффициент лавинного умножения М. Тогда суммарный ток I через переход П₃ будет равен:

(7.6)

где M – коэффициент лавинного умножения, который предполагается одинаковым для электронов и дырок и определяется формулой Миллера (5.52). Откуда:

(7.7)

где α=α_p+α_n – суммарный коэффициент передачи тока первого (p₁n₁p₂) и второго (n₂p₂n₁) транзисторов. Выражение (7.7) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на "закрытом" участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения V_G. По мере роста α и М с ростом V_G, когда значение М(α₁+α₂) станет равно 1, из уравнения (7.7) следует, что ток I устремится к ∞. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния "закрыто" в состояние "открыто".

Таким образом, в состоянии "закрыто" тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии "открыто" – большими значениями коэффициентов α и М.

В закрытом состоянии (α – малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П₃ и ток тиристора – это ток обратно смещенного pn- перехода. Чтобы выключить транзистор необходимо создать условия, при которых исчезает заряд, инжектированный в базы транзистора, и, соответственно, концентрации неосновных носителей около коллекторного перехода становятся меньше или равны равновесным. При этом будет иметь место выход pnp- и npn-транзисторов из режима насыщения и переход тиристора в состояние с высоким сопротивлением. Проще всего выключить тиристор, прекратив на некоторое время инжекцию заряда через эмиттерные переходы. При питании тиристора переменным напряжением это происходит автоматически в момент, когда напряжение проходит через ноль.

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П₁ и П₃ будут смещены в обратном направлении, а П₂ – в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных pn-переходов.

При подаче анодного напряжения обратной полярности через тиристор протекает обратный ток I_обр, указываемый как параметр для максимального обратного напряжения U_{обр max}.

Быстродействие тиристоров характеризуют временем включения, и временем выключения. Как и в транзисторе, эти времена определяются процессами накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в областях четырехслойной структуры.

Для того чтобы снизить порог включения достаточно ввести неосновные носители заряда в одну из баз тиристора. Осуществить это возможно, изготовив дополнительный управляющий электрод к одной из баз транзистора. Тогда чем больше ток управляющего электрода, тем раньше будет наступать включение (см. рис. 7.6).

Рис. 7.6 Структура и ВАХ тиристора в триодной схеме

Рассмотрим влияние тока управления на ВАХ тиристора более подробно. При двухэлектродном включении тиристора основные носители, необходимые для установления рекомбинационного равновесия в базах, поступают в n- и р-базы тиристора через коллекторный рn-переход. При подаче тока управления I_у в р-базу тиристора через управляющий электрод тиристора вводятся дополнительные основные носители (дырки) и поэтому рекомбинационное равновесие достигается при меньших значениях собственного тока коллекторного перехода I_k0 и, следовательно, меньших значениях напряжения U_A на рnрn-структуре.

Вследствие зависимости коэффициентов передачи тока от тока анода при наличии дополнительного тока I_у кривая на рис. 7.6,б сместится влево по оси токов, напряжение включения тиристора с ростом положительного тока управления уменьшается. При некотором достаточно большом токе управления участок отрицательного сопротивления исчезает. В этом случае говорят, что происходит спрямление ВАХ тиристора, а соответствующий ток управления называют током управления спрямления I_y.спр.

Ток I_у является одним из главных параметров тринисторов (трехэлектродных тиристоров). Постоянный отпирающий ток управляющего электрода I_{у вкл} – минимальное значение постоянного тока управляющего электрода, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенном режиме в основной цепи. Этому току соответствует постоянное отпирающее напряжение U_{у вкл} на управляющем электроде.

7.2 Типы тиристоров

В настоящее время имеется довольно много различных типов тиристоров. Диодные тиристоры или динисторы имеют два внешних вывода, триодные тиристоры или тринисторы имеют три вывода. Динистор имеет постоянный порог срабатывания, порог тринистора может изменяться током управляющего электрода.

Динисторы и тринисторы могут иметь ВАХ трех типов (рис. 7.8). Непроводящие в обратном направлении тиристоры при подаче отрицательного анодного напряжения не переключаются и оказываются закрытыми (рис. 7.8,а). Проводящие в обратном направлении тиристоры также не переключаются при подаче обратного напряжения, но проводят токи сравнимые с токами в открытом состоянии в прямом направлении (рис. 7.8,б). Симметричные тиристоры – симисторы – имеют одинаковые характеристики переключения в первом и третьем квадрантах ВАХ (рис. 7.8,б).

Рис. 7.8 Примеры ВАХ тиристоров различных типов

Тиристоры изготавливаются на основе кремния. Большая ширина запрещенной зоны кремния, совершенство кристаллической структуры, большие подвижности и времена жизни носителей заряда, механическая прочность и сравнительная легкость получения рn-переходов позволили создать кремниевые тиристоры с различным сочетанием параметров: на токи от 1 мА до 10 кА и напряжения от нескольких вольт до нескольких киловольт. Скорость нарастания напряжения в них достигает I0⁹ В/с, а тока – 10⁹А/с. Время включения составляет от сотых долей до десятков микросекунд, время выключения – от единиц до сотен микросекунд.

Конструктивно различают три типа приборов: тиристоры штыревой конструкции в металлических и металлокерамических корпусах, прижимные тиристоры с отводом тепла с одной стороны приборов, таблеточные с двусторонним отводом тепла. Основными конструкциями являются штырьевая и таблеточная.

Серийно выпускают следующие основные типы тиристоров средней и большой мощностей.

Управляемые тиристоры типа Т – это наиболее распространенный тип тиристоров на токи 10…200 А и напряжения переключения до 1600 В. Сюда же относятся тиристоры типа ТД – тиристоры динамические и ТТ – тиристоры таблеточные.

Лавинные транзисторы типа ТЛ рассчитаны на токи до 250 А и напряжения лавинного пробоя до 1500 В. Для тиристоров такого типа допускается кратковременное перенапряжение в обратном направлении, когда напряжение превышает напряжение лавинного пробоя.

Высокочастотные тиристоры типа ТЧ (тиристор частотный) рассчитаны на токи 10…200 А, напряжение переключения до 1200 В, время выключения до 15 мкс. Тиристоры типов Т, ТД, Т'Т, TЛ работают на частотах до 500 Гц, а рабочая частота тиристоров ТЧ достигает 20 кГц.

В эту же группу приборов входят тиристоры типов ТИ (тиристор импульсный) и ТМ (тиристор модуляторный), которые предназначены для работы при больших импульсах токов – до 3000 А, и коротких длительностях импульсов – 1…1000 мкс. больших скоростях нарастания анодного тока – до 10⁹ А/с и малых временах включения – 0,1…0,2 мкс.

Широкое распространение в цепях переменного тока находят тиристоры с симметричными характеристиками – симисторы. Симметричные тиристоры типа ТС (тиристор симметричный) выполняют роль ключа переменного тока. Один управляющий электрод обеспечивает управление обеими ветвями ВАХ, причем токи управления для разных направлений различны. Эффективные токи тиристоров ТС достигают 150 А, напряжение переключения – 1200 В.

На рис. 7.9 приведены примеры некоторых возможных структур тиристоров и их графические обозначения.

Рис. 7.9 Примеры структур тиристоров и их графические обозначения