7.9.3. Тиристор, проводящий в обратном направлении (асимметричный)

Тиристор имеет более тонкий слаболегированный слой n₁, так как между ним и слоем p₁ выполняется промежуточный слой n⁺₁. Вследствие этого уменьшается импульсное прямое напряжение во включенном состоянии и снижается время выключения. Зато при обратном напряжении переход П₁ не имеет возможности расширяться в сторону базы n₁ и поэтому имеет пробивное напряжение всего несколько десятков вольт.

7.9.4. Тиристор с обратной проводимостью (тиристор-диод)

Тиристор подобен обычному тиристору, с которым параллельно включен диод в обратном направлении. Применяется технология несимметричных тиристоров с их преимуществами и устраивается в структуре интегральный антипараллельный диод, изолированный от центральной секции прорезью или диффузионным защитным кольцом.

7.9.5. Комбинированно-выключаемый тиристор (квк)

Это по существу обычный тиристор, время выключения которого существенно снижается благодаря смещению в обратном направлении управляющего перехода П₃ в процессе запирания. Слой p₂ выполняется низкоомным, а катод гребенчатой структуры, что увеличивает эффект выключения в процессе запирания.

7.9.6. Полевой тиристор

Это новый тип тиристора, управляемый напряжением, который в перспективе может заменить запираемый тиристор. Полевой тиристор представляет собой переключатель мощности, состоящий из p-i-n-диода с управляющим электродом в виде сетки.

Когда анод положительнее катода, а на сетке низкое напряжение, анод инжектирует дырки в i-слой, сопротивление его снижается, напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии 1 В. Если на сетку подано высокое отрицательное напряжение, то вследствие сильного расширения области, обедненной зарядами, вокруг сетки под катодом образуется обедненный слой. Сетка выполняет роль эффективного коллектора, принимающего дырки из n-слоя. Образуется потенциальный барьер для электронов, инжектируемых из катода n⁺₁. В отсутствие электронов дырки также не могут инжектироваться анодом. Прибор оказывается в закрытом состоянии. В процессе запирания ток анода I_А переключается в цепь сетки.

При росте отрицательного напряжения на сетке увеличивается анодное напряжение отпирания прибора.

7.10. Конструкции тиристоров

Силовые тиристоры выполняются штыревой и таблеточной конструкции так же, как и силовые диоды. Для защиты р-n-p-n-структуры от поверхностного пробоя используются фаски. Одноступен­чатая фаска (рис. 7.13) для эмиттерного перехода J₁ обратная, а для коллекторного J₂ – прямая. В этом случае эмиттерный переход значительно лучше защищен от пробоя обратным напря­жением, чем коллекторный от пробоя прямым напряжением. Поэтому одноступенчатая фаска применяется для относительно низ­ковольтных тиристоров (на напряжение примерно до 1200 В). Для высоковольтных тиристоров, как правило, применяются двухступенчатые фаски (рис. 7.13, б). При этом угол α₁ принимается равным 30° + 45°, а угол α₂ ≈ 1,5° + 4°. Такая фаска используется для тиристоров напряжением примерно до 4 кВ. Для тиристоров на более высокие напряжения предложены фаски в форме "лас­точкиного хвоста" (рис. 7.13, в) и V-образные (рис. 7.13, г).

Основным достоинством фасок формы "ласточкин хвост" и V-образных является меньшая их ширина l_ф, что позволяет получить боль­шую активную поверхность структуры при заданном диаметре крем­ния. При диаметрах кремниевых структур до 16 мм их напаивают на вольфрамовые или молибденовые диски. Структуры диаметром более 16 мм со стороны анодного слоя сплавляются с термокомпенсатором (алюминиевая или силуминовая фольга) и собираются в корпусе c прижимными контактами к катодным слоям (рис. 7.14). Тиристорная структура 1 сплавлена с термокомпенсатором 2. ухступенчатая фаска защищена компаундом 3. Катодные поверхности и вывод управляющего электрода от базы р₂ металлизированы алюминием 4.

Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются в герметичные корпуса различных конструкций: штыревые с паяными прижимными контактами и таблеточные. Отличия корпусов ти­ристоров от корпусов диодов состоят в том, что элементы их имеют дополнительные отверстия для управляющих электродов.

а б

в г

Рис 7.13. Фаски p-n-p-n-структуры тиристора: а – одноступенчатая;

б – двухступенчатая; в – "лас­точкин хвост"; г – V-образная

Рис. 7.14. Тиристорный элемент со сплавным термокомпенсатором

Рассмотрим типичную конструкцию корпуса штыревого тиристо­ра с паяными контактами и боковым расположением управляющего электрода (рис. 7.15, а).

К основанию 1 припаивается тиристорный элемент 2. К основанию 1 приварено стальное кольцо 3, к которому сваркой прикрепляется коваровая втулка 4. Управляющий электрод имеет внутренний вывод 5, который посредством коваровой втулки 6 выводится наружу, где заканчивается наконечником 7. С помощью коваровой втулки 5 с наконечником 9 через стеклянный изолятор 10 внутренним выводом 11 выводится катод тиристора. Основание заканчивается шпилькой 12 для крепления тиристора в охладителе. Через нее выводится анод тиристора.

а б

Рис 7.15. Тиристор штыревой кон­струкции с паяными (а)

и прижимны­ми (б) контактами

В тиристоре с прижимными контактами (рис. 7.15, б) тиристорный элемент с односторонним термокомпенсатором 1 помещается на мед­ном основании 2. К основанию припаян стальной стакан 3. Крышка корпуса состоит из стальной манжеты 4 и керамического изолятора 5. Внутренний вывод управляющего электрода 6 с помощью коваро­вой втулки 7, наконечника 8 соединяется с гибким внешним выводом 9. Наконечник 10 катода с помощью внешнего силового гибкого вывода 11, нижний конец которого 12 вставлен в трубку 13 и обжат, соединяется внутренним основным выводом катода 14. Этот вывод имеет отверстие сложной конфигурации, через которое проходит внутренний управляющий вывод. Манжетой 15 тарельчатые пружины 16 прижимаются к изолятору 17, обеспечивая необходимое усилие в прижимных контактах. С помощью пружины 18 через изолятор созда­ется усилие нажатия на полусферический наконечник 19 внутреннего вывода управляющего электрода. Такая конструкция наиболее часто применяется при диаметрах структур от 16 до 32 мм.

Размеры тиристоров штыревой конструкции в зависимости от типа тиристора изменяются в следующих пределах: I – от 20 до 45 мм с жестким выводом и от 70 до 110 мм с гибким выводом; N – от 11 до 18 мм; D – от 12 до 45 мм; Е (размер под ключ, на рис. 7.15 не показан) – от 11 до 41 мм; W – от М 5 до М 24.

В таблеточном тиристоре (рис. 7.16) тиристорный элемент 1 рас­положен между медными основаниями 2 и 3. Между тиристорным элементом и основаниями устанавливаются прокладки из отожженно­го серебра толщиной 100-200 мкм (на рис. 7.16 не показаны). Ман­жета 4 высокотемпературным припоем припаяна к керамическому изолятору 5 и к нижнему основанию 2. Манжета 6 также высокотем­пературным припоем припаяна к изолятору. Гибкая кольцевая мембрана 7 припаивается к верхнему основанию 3. Кольцо 8 из изоляци­онного материала центрирует тиристорный элемент и серебряные прокладки относительно основания 2.

Управляющий электрод 9 с полусферическим наконечником разме­щен в выемке верхнего основания, изолирован изолятором 10 и при­жимается к контактной поверхности полупроводниковой структуры пружиной 11. Другим концом внутренний управляющий электрод 9 входит в трубку 12 керамического изолятора и сплющивается в этой трубке. К трубке припаивается наконечник 13, к которому крепится гибкий наружный вывод управляющего электрода 14. Если в тиристорной структуре применяется разветвленный управляющий электрод, то гальваническая развязка между катодным основанием и управляющим электродом обеспечивается воздушным зазором высо­той примерно 15-20 мкм или серебряной прокладкой, конфигурация которой совпадает с конфигурацией катодного эмиттера тиристорной структуры.

Рис 7.16. Тиристор таблеточной кон­струкции

Необходимый прижимной контакт между тиристорным элементом и основаниями обеспечивается прижимным усилием от 8 до 24 кН при установке таблетки в охладитель.

Размеры таблеточных тиристоров в зависимости от типа изменяются в следующих пределах: А – от 19 до 26 мм, D – от 60 до 100 мм, D₁ – от 30 до 50 мм.