Лабораторная работа № 6

Исследование тиристора.

Цель работы:

Исследование принципа работы, вольт – амперной характеристики и параметров тиристора

1. ВВЕДЕНИЕ

При решении многих задач автоматизации и управления технологическимипроцессами, телемеханики и связи возникает необходимость коммутации (отключения, подключения и переключения) электрических цепей. Широко распространенные в недавнем прошлом механические и электромеханические переключатели (реле) не обеспечивают необходимой надежности и быстродействия, поэтому разрабатывались электронные переключатели, к числу которых можно отнести электронные ключи и триггеры, выполненные на транзисторах.

Электронный ключ - это устройство, имеющее два устойчивых состояния: с низкой и высокой проводимостью причем переход из одного состояния в другое может осуществляться с помощью управляющих электрических сигналов. Этим требованиям удовлетворяет полупроводниковый прибор, называемый тиристором. Его основное назначение состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки при воздействии внешнего управляющего сигнала. Как и транзисторный ключ тиристор имеет два статических состояния: закрытое (с низкой проводимостью) и открытое (с высокой проводимостью). В каждом из них тиристор может находиться сколь угодно долго, а переход из одного состояния в другое происходит относительно быстро под воздействием кратковременного управляющего сигнала.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (и более) p-n переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

1. Диодные тиристоры. Структура и принцип действия.

Диодный тиристор (динистор)– это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура, показанная на рис. 1.

Четыре слоя полупроводника образуют три p-nперехода П1, П2, и П3. Кроме них есть еще два омических перехода, один из которых между слоемp₁ иметаллическим электродом, называемыманодом, а второй – между слоемn₂ и металлическим электродом, называемымкатодом.

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения, то есть положительный потенциал на аноде, а отрицательный – на катоде (рис.1). В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называется коллекторным. Таким образом, у динистора две эмиттерные области (p₁- и n₂-эмиттеры) и две базовые области (n₁- и p₂-базы). Эмиттеррные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые. Большая часть внешнего напряжения падает на закрытом коллекторном переходе П2.

При малых значениях напряжения на входе через закрытый переход П2 и через динистор может протекать лишь малый обратный ток. При повышении анодного напряжения начинают действовать два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, увеличивается обратное напряжение на переходе П2, и за счет этого расширяется область пространственного заряда (ОПЗ), образованная положительными ионами примеси вn₁-базе и отрицательными – вp₂-базе. Электроны вn₁-базе стягиваются к переходу П1, а дырки в p₂-базе – к переходу П3. Это приводит к увеличению поля переходаЕ_пери сопротивления коллекторного перехода П2. С другой стороны, увеличение внешнего напряжения приводит к усилению инжекции дырок изp₁-эмиттера вn₁-базу, где они втягиваются полемЕ_пер в ОПЗ, проходят переход П2 и попадают вp₂-базу, частично рекомбинируя вn₁ - базе (рис.2). В слоеp₂дырки удерживаются полем потенциального барьера, созданного отрицательными ионами ОПЗ и основными носителями этой области – дырками. Поэтому они накапливаются в этой области, создавая избыточную концентрацию основных носителей вp₂-базе. Аналогичный процесс происходит и с электронами, которые инжектируютсяn₂-эмиттером вp₂-базу и затем накапливаются вn₁-базе .

Избыточные заряды в базовых областях частично компенсируют пространственные заряды ионов, ослабляя тем самым поле Е_пер. На рис.2 это отмечено наличием поля избыточных зарядовЕ_изб. За счет этого потенциальный барьер перехода П2 понижается и уменьшается его сопротивление. Кроме того, накопление избыточных зарядов в базовых областях стимулирует усиление инжекции носителей из эмиттеровp₁и n₂. Таким образом, в тиристоре существуетположительная обратная связь(ПОС), благодаря которой усиление тока через переход П1, например, вызывает усиление тока через переход П3, и наоборот.

На вольт – амперной характеристике (ВАХ) динистора этим процессам соответствует участок ОА. Точка А соответствует некоторому напряжению включения U_вкл, при котором два рассмотренных процесса уравновешивают друг

друга, величина потенциального барьера и сопротивление перехода П2 практически становятся равными нулю. Любое, сколь угодно малое увеличение напряжения выше U_вкл приведет к заметному росту тока одного из эмиттерных переходов, за счет ПОС возрастет ток второго перехода. Процесс развивается лавинообразно и динистор практически мгновенно входит в режим насыщения, когда ток через него ограничивается лишь сопротивлением нагрузки.

Сопротивление самого тиристора при этом складывается из сопротивления трех открытых p-n переходов и четырех объемных сопротивлений полупроводника. Каждое из этих сопротивлений мало, поэтому падение напряжения на них не превышает долей вольта, а полное падение напряжения на открытом тиристоре не более нескольких вольт.

Переходу из закрытого в открытое состояние тиристора соответствует участок АВ ВАХ, участок ВС соответствует работе тиристора в открытом состоянии.

На участке ОА преобладает первый из рассмотренных выше процессов, и сопротивление тиристора растет, но рост этот замедляется по мере приближения к точке А. После точки А второй механизм создает поле Е_изб  Е_пер, и переход П2 становится открытым, его сопротивление резко уменьшается.

В открытом состоянии (участок ВС) прямое смещение перехода П2 поддерживается избыточным зарядом в базах за счет проходящего тока. Если ток постепенно уменьшать, то при достижении некоторого значения, меньшего удерживающего тока I_уд, в результате рекомбинации количество избыточных зарядов станет недостаточным для компенсации поля ионов в ОПЗ, коллекторный переход смещается в обратном направлении и ток резко уменьшается до значения, соответствующего точкеD, тиристор перейдет в закрытое состояние. Удерживающий токI_уд– это минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.