Конспект лекций по ЭП / Тема 2.4 / Тиристоры

§ 2.9. ТИРИСТОРЫ

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) p-n-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные.

В диодных тиристорах различают: тиристоры, запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.

Триодные 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 составе различают группу выключаемых тиристоров.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Условные обозначения тиристоров:

1 — диодный, запираемый в обратном направлении; 2—диодный, проводящий в обратном направле­нии; 3—диодный симметричный; 4, 5—триодные, запираемые в обратном направлении с управлением по аноду и катоду; б, 7—триодные, проводящие в обратном направлении с управлением по аноду и катоду; 8—триодные симметричные; 9, 10—триодные, проводящие в обратном направлении, выключаемые; 11— тетродные, запираемые в обратном направлении

Рис. 2.32. Структура тиристора (а); структура и схема двухтран-зисторного эквивалента тиристора (б), (в)

Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и n-области (рис. 2.32, а).

Область р₁, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область п₂—катодом; области п_х, р₂ — базами.

Если к аноду р₁ подключить плюс источника напряжения, а к катоду п₂—минус, то переходы П_х и П₃ окажутся открытыми, а переход П₂—закрытым. Его называют кол­лекторным переходом.

Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной элект­ропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.32, б, в. Ток цепи определяется током коллекторного перехода П₂. Он однозначно зависит от потока дырок а₁I из эмиттера транзистора p-n-p-типа и потока электронов a₂I из эмиттера транзистора n-p-n-типа, а также от обратного тока p-n-перехода.

Так как переходы П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки—из области р₁, электроны—из области п₂. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз п₁, р₂, приближа­ются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через p-n-переход. Дырки, инжектированные из р₁ -области, и электроны из п₂ движутся через переход П₂ в проти­воположных направлениях, создавая общий ток I.

Рис. 2.33. Вольт-амперная характеристика динистора

При малых значениях внешнего напряжения все оно прак­тически падает на коллекторном переходе П₂. Поэтому к пе­реходам П₁, П₃, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П₂, т. е. I_к°. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем воз­растании напряжения, по мере уве­личения ширины перехода П₂, 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 р-n-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение но­сителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрическо­го поля переходят в

область р₂, а электроны — в область п₁. Ток через переход П₂ увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П₁, П₃, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллектор­ного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П₂ становится малым. Носители заряда, появившиеся в областях вследствие ин-жекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с от­рицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.33). После переключения вольт-амперная характеристика аналогич­на ветви характеристики диода, смещенного в прямом направ­лении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состо­янию тиристора.

Для определения тока, протекающего через диодный ти­ристор, рассмотрим его двухтранзисторную модель (см. рис. 2.32, в). Токи коллекторов транзисторов п₂-р₂-п₁- и р₁-п₁-р₂-типов соответственно равны

(2.67)

I_K = a₂+I_кбо; Iki =a₁+I_кбо

Здесь I_KБ01, I_кбо2 — обратные токи коллекторных переходов транзисторов VI, V2; а₁, а₂ — коэффициенты передачи эмитерного тока.

Так как I=I_K1 + I_K2, то с учетом (2.67) получим

I=а₁I+I_КБ01 + а₂I+I. (2.68)

Если считать, что коэффициент лавинного умножения М_л (см. (2.23)) в переходе П₂ для дырок и электронов имеет одинаковые значения, то выражение (2.68) примет вид

I=М_л[I(а _{1 +} а ₂) + I_КБО1 + I_КБО2] = М_лI_К0/(1-М_л а), (2.69)

Рис. 2.34. Триодный тиристор:

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

где а = а₁+а₂; I_кбо¹ + I_кбо²; I_к° — обратный ток перехода П₂, равный сумме теплового тока, тока термогенерации и тока утечек.

Тиристор переключается, когда М_л а = 1. В этом случае ток I ограничен сопротивлением внешней цепи R, так как собственное сопротивление тиристора весьма мало. Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток I=U/R меньше I_уд (участков 3 на рис. 2.33). Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.

Триодные тиристоры (рис. 2.34, а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

При подаче в цепь управляющего электрода тока управления I_у ток через р₂-n₂-переход увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через р-n-переход приводит к уве­личению тока I_к² на величину а ₂I_у:

I=М_л[I(а ₁ + а ₂)+ I_к°+ а ₂I_у] = (М_лI_к° + М_л а ₂I_у)/(1-М_л а). (2.70)

Увеличение тока через запертый коллекторный р-я-переход и 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 рис. 2.34, б.

Для того чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения I<I_уд путем понижения питающего напряжения до значения ниже U₂, либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной по­лярности.

Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис. 2.34, в. 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 а. При увеличении тока управляющего элек­трода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1 (построение линий нагрузки рассмотрено в § 4.2). Когда ток управляющего электрода достигнет значения /_у1, ти­ристор включится и рабочая точка его переместится в точку b. Для выключения необходимо (при I_у = 0) уменьшить напряже­ние питания до значения U<U₂. При этом рабочая точка из b₁ перейдет в а₂ и при восстановлении напряжения —в

точку а.

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 зарядов в базе и уменьшению коэффициентов а₁ и а₂. При М_ла<1 тиристор выключается и в его цепи протекает малый ток, значение которого равно I_обр.

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: К=1/1_уобр. Он характеризует эффектив­ность выключения тиристора с помощью управляющего эле­ктрода. В ряде разработок К=4 .. 7.

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.

Симметричные тиристоры; В настоящее время вьшускаются симметричные тиристоры, у которых вольт-амперные характери­стики одинаковы в I и III квадрантах (рис. 2.35, а). Они выполнены на основе пятислойных структур и носят название симисторов. Симисторы при подаче на управляющий электрод

Рис. 2.35. Вольт-амперная характеристика симистора (а); подклю­чение напряжений, обеспечивающих включение тиристоров: с упра­влением по катоду (б); по аноду (в); управление симистором (г)

сигнала одной полярности 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. 2.36, а) и управлять моментом включения тиристора сигналами переменного тока, то через нагрузку будут протекать импульсы тока i_н (рис. 2.36, б). Действующее значение i_н зависит от момента включения. В приведенной схеме момент включения определяется фазовым сдвигом фи напряжения управления. Фазовый сдвиг создает регулируемый фазовращатель, включенный в цепь управляющего электрода.

Используя участок характеристики с отрицательным диф­ференциальным сопротивлением, можно создавать генераторы релаксационных колебаний (рис. 2.36, в), принцип действия которых состоит в следующем. Пока напряжение на тиристоре меньше U_npк, конденсатор С заряжается через резистор R. Напряжение на нем увеличивается по экспоненциальному закону. При включении тиристора (U_c=U_npK) конденсатор С быстро разряжается. Когда ток становится меньше I_уд , тиристор выключается. Процессы зарядки и разрядки пери­одически повторяются. Данная электрическая цепь генерирует периодические импульсы экспоненциальной формы.

Рис. 2.36. Включение тиристора в цепь для регулирования мощности (а); диаграммы напряжений и токов в цепи (б); релаксационный генератор импульсов (в)

Основные параметры тиристоров и их ориентировочные значения

1. Напряжение переключения (постоянное — U_прк, импульсное U_прки, десятки—сотни В).

2. Напряжение в открытом состоянии U_ос— падение напря­жения на тиристоре в открытом состоянии (U_0С = 1~ЗВ).

3. Обратное напряжение U_o6p — напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы—тысячи В).

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

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электроде U_у , _нот — наибольшее напряжение не вызывающее отпирания тиристора (доли В).

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

7. Ток в открытом состоянии /_ос—максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА — сотни А).

8. Ток удержания 1_ул (десятки — сотни мА).

9. Обратный ток 1_обр (доли мА).

10. Отпирающий ток управления /_уот — наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тири­стора (десятки мА).

11. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоя­нии— максимальная скорость нарастания напряжения в закры­том состоянии (десятки—сотни В/мкс).

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

13. Время выключения t_выкл — минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки—сотни мкс).

14. Рассеиваемая мощность Р (единицы—десятки Вт).

Обозначения тиристоров в соответствии с ГОСТ 10862—72 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.