9.2. Диодные тиристоры

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

Структура диодного тиристора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности, например p-n-p-n(рис. 9.3).

Рис. 9.3

Кроме трех выпрямляющих переходов П1, П2, П3 диодный тиристор имеет два омических перехода. Один из омических переходов расположен между крайней левой n-областью и металлическим электродом, который называется катодом. Другой омический переход расположен между крайней правойp-областью и металлическим электродом, который называется анодом.

Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе при подаче на него прямого напряжения, т.е. при положительном потенциале на аноде (рис. 9.4а). На рис.9.4б приведено изображение на электрических схемах.

В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными. Средний переход П2 смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области и две базовые области.

Рис. 9.4а	Рис. 9.4б

Большая часть внешнего прямого напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении.

Поэтому первый участок (участок 1 рис. 9.5) прямой ветви ВАХ динистора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах.
	Рис. 9.5

Электроны, инжектированные из n-эмиттера вp-базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают вn-базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре динистора препятствует небольшой потенциальный барьер эмиттерного перехода П3. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной ямеn-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода П3, вызывает увеличение инжекции дырок изp-эмиттера вn-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают вp-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре динистора препятствует небольшой потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Следовательно, вp-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обуславливает увеличение инжекции электронов изn-эмиттера. Таким образом, в структуре динистора существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление неравновесных носителей в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении.

Наконец, при достижении напряжения на динисторе значения происходит резкое увеличение тока через динистор и одновременное уменьшение падения напряжения на нем до напряжения, соответствующего напряжению на открытом переходе П2. Этот процесс соответствует участку 2 вольтамперной характеристики динистора (рис. 9.5).

Участок 3 вольтамперной характеристики динистора (рис. 9.5) аналогичен прямой ветви вольтамперной характеристики диода, так как на этом участке все три перехода смещены в прямом направлении.

Таким образом, динистор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом.

Закрытое состояние динистора соответствует участку 1 вольтамперной характеристики между точками «а» и «б». Точка «б» называется точкой переключения. Под точкой переключения понимают точку на вольтамперной характеристике, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на динисторе достигает максимального значения.

Открытое состояние динистора соответствует низковольтному и низкоомному участку (участок 3) вольтамперной характеристики. Между участками, соответствующими закрытому и открытому состояниям, находится переходной участок (участок 2), соответствующий неустойчивому состоянию динистора. Этот участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока поддерживается требуемое количество избыточных носителей заряда в базах, необходимое для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому включению. Для поддержания необходимого количества избыточных носителей заряда в базах требуется большой ток через динистор.

Если уменьшить ток через динистор до величины , то в результате рекомбинации и рассасывания количество избыточных носителей заряда в базах уменьшится, коллекторный переход окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение напряжений на переходах, уменьшится инжекция из эмиттеров и динистор перейдет в закрытое состояние.

Структуру динистора можно рассматривать в виде двух эквивалентных транзисторов, соединенных между собой (рис. 9.6).

Рис. 9.6

Тогда можно записать: , где- токи через соответствующие переходы;- обратный ток коллектора первого и второго эквивалентных транзисторов при токах их эмиттеров, равных нулю;- коэффициенты передачи токов эмиттеров эквивалентных транзисторов.

Поскольку через всю динисторную структуру протекает ток анода , т.е., то.

Обозначив , получим, откуда следует, что резкое возрастание токанаступает при. Это является главным условием переключения динистора из закрытого состояния в открытое.

Из теории биполярных транзисторов известно, что рост обеспечивается двумя путями:

- путем увеличения тока эмиттера, когда растет из-за уменьшения влияния рекомбинации вpn-переходе и появления электрического поля в базе;

- путем увеличения коллекторного напряжения, когда растет из-за уменьшения толщины базы вследствие эффекта Эрли.

Обе эти причины роста в динисторе выполняются. На переходном участке растет, значит увеличивается и. После переключения в открытое состояние дальнейшего увеличенияне происходит, так как уменьшается напряжение на коллекторном переходе.

Поскольку сильно зависит от, то динисторы выполняются только на основе кремния. Кроме того, в кремниевых структурах зависимостьотвыражена сильнее. Меньшая величинадля кремния позволяет получить меньшую мощность, рассеиваемую в закрытом состоянии и большее значение напряжения включения.

Существуют два варианта вольтамперной характеристики динистора: жесткая и мягкая. Жесткой называется такая характеристика переключения, для которой свойственна резкая зависимость коэффициента передачи тока от напряжения и от тока. Динистор будет переходить в открытое состояние всегда при одном и том же напряжении включения. Мягкой называется такая характеристика переключения, для которой свойственна слабая зависимость коэффициента передачи токаот напряжения и от тока. Переход динистора с мягкой характеристикой в открытое состояние может осуществляться при различных напряжениях. Для большинства динисторов технологически обеспечивается жесткая характеристика переключения.

Основные параметры динистора характеризуют открытое и закрытое состояния.

Для открытого состояния определяются:

- максимально допустимый средний ток , представляющий собой среднее за период значение тока, длительно протекающего через динистор. Эта величина для разных типов динисторов лежит в диапазоне от 40 мА до 1000 А;

- или- пороговое напряжение. Определяется по вольтамперной характеристике динистора в точке пересечения прямой, аппроксимирующей ВАХ в открытом состоянии с осью абсцисс (рис. 9.7). Для большинства динисторов;
	Рис. 9.7

- динамическое сопротивление открытого динистора, определяемое наклоном прямой, аппроксимирующей ВАХ в открытом состоянии(рис. 9.7).

Для закрытого состояния определяются:

- - напряжение включения и соответствующий ему ток. Для различных типов динисторовлежит в диапазоне от 10 . . . 100В до 2,5кВ, асоставляет единицы мА;

- - характеризует переход из открытого состояния в закрытое. Для различных типов динисторовлежит в диапазоне от единиц до сотен мА;

- - ток утечки, определяемый при(рис. 9.7), который для динисторов составляет единицы мкА;

- - определяется по обратной ветви ВАХ при обратном включении динистора.

Из основной схемы включения динистора (рис. 9.8) можно найти выражение для вольтамперной характеристики нагрузочного сопротивления :, которая графически изображается прямой линией. Возможны различные варианты взаимного расположения вольтамперных характеристик динистора и нагрузочного сопротивления (рис. 9.9).
	Рис. 9.8

	Первый вариант (ВАХ - прямая 1 на рис. 9.9) соответствует бистабильному состоянию системы нагрузка – динистор. Закрытому статическому состоянию динистора соответствует точка А.
Рис. 9.9

Ток, протекающий в этом состоянии, мал, напряжение источника питания практически полностью прикладывается к динистору и может достигать сотен и тысяч вольт. Точка А – точка устойчивого равновесия системы нагрузка – динистор. В самом деле, легко видеть, что при увеличении тока по какой-либо причине падение напряжения на динисторетакже возрастает, и токвернется к своему значению (в точку А). Открытому статическому состоянию динистора соответствует точка В. В этом состоянии напряжение на динисторе мало (около 1 В), а ток может достигать значений в сотни и тысячи ампер. Аналогично можно показать, что точка В также является точкой устойчивого равновесия. Существует еще одна точка пересечения ВАХ нагрузки и ВАХ динистора – точка С (в области отрицательного дифференциального сопротивления). Точка С, как и любая другая точка в этой области, является точкой временной устойчивости. Любое отклонение от равновесия в точке С приводит к тому, что динистор переходит либо в закрытое состояние (в точку А), либо в открытое состояние (в точку В). Например, пусть токв точке С увеличился, тогда напряжение на динисторе уменьшится, токеще больше увеличится, так будет происходить до тех пор, пока рабочая точка не окажется в точке В. Аналогично происходит переход в точку А при уменьшении тока.

Второй и третий варианты (ВАХ - прямая 2 или прямая 3 соответственно на рис. 9.9) соответствует моностабильному (закрытому или открытому соответственно) устойчивому состоянию системы нагрузка – динистор.

Четвертый вариант (ВАХ - прямая 4 на рис. 9.9) соответствует астабильному состоянию системы нагрузка – динистор.

Для ключевых схем на динисторах используется первый из рассмотренных вариантов. Включение (переход в открытое состояние) осуществляется путем увеличения анодного напряжения до напряжения включения путем подачи(рис. 9.8). Напряжениеможет представлять собой как медленное изменение напряжения, так и импульсы. При увеличении скорости изменения анодного напряжения напряжение включениядинистора в открытое состояние уменьшается. Объясняется это тем, что при увеличении скорости изменения анодного напряжения, возрастает емкостная составляющая токов через переходы (все переходы динистора имеют собственные емкости), особенно через коллекторный переход. Это ведет к увеличению коэффициентов передачи тока, следовательно, условие включениябудет достигнуто при меньшем значении, чем на постоянном токе.

Быстродействие включения определяется такими динамическими параметрами как время включения , время задержки, время нарастанияи критическая скорость нарастания прямого тока через динистор(рис. 9.10).
	Рис. 9.10

Таким образом, из рис. 9.10 следует, что:

- время включения - время от момента подачи управляющего импульса до момента нарастания анодного токачерез динистор до 90% установившегося значенияпри включении на активную нагрузку;

- время задержки - время от момента подачи управляющего импульса до момента нарастания анодного токачерез динистор до 10% установившегося значенияпри включении на активную нагрузку;

- время нарастания - время, соответствующее нарастанию анодного тока от 10% до 90% его установившегося значения.

Критической скоростью нарастания прямого тока через динистор называется максимальное значение скорости нарастания прямого тока через динистор, не вызывающее необратимых процессов в его структуре и связанного сними ухудшения параметров динистора.

Выключение динистора (переход в закрытое состояние) осуществляется либо путем разрыва цепи анодного тока, либо путем изменения полярности анодного напряжения. В первом случае время выключения значительно больше из-за длительных процессов рассасывания накопленных в базе носителей заряда, во втором случае время выключения существенно меньше, но динистор должен иметь достаточно большую величину . При выключении быстродействие оценивается:

- временем выключения - временем от момента, когда анодный ток через динистор достиг нулевого значения, до момента, когда динистор способен выдерживать, не переключаясь, прикладываемое в прямом направлении напряжение;

- критической скоростью нарастания прямого напряжения - максимальным значением скорости нарастания прямого напряжения, при котором не происходит включения динистора при заданном напряжении.

Поскольку , то в целом быстродействие динисторов оценивается по величине.

Все перечисленные параметры называются динамическими. При оценке режимов эксплуатации динисторов необходимо учитывать следующие особенности динамических параметров этих приборов. Во-первых, практически все динамические параметры характеризуют несколько физических процессов, протекающих в динисторе одновременно, и зависят от ряда внутренних параметров прибора: времени жизни, подвижности носителей заряда емкости переходов и т.п. Во-вторых, динамические параметры зависят от режима измерения параметра, т.е. являются функциями и внешних параметров: характера нагрузки, анодного напряжения, частоты и т.п. Так как режимы эксплуатации динисторов в значительной степени могут отличаться от режимов измерения динамических параметров, то от разработчика требуется глубокое знание физических процессов, протекающих при переключении динистора, осмысление работы прибора в определенной схеме в определенных условиях и выбор необходимых для обеспечения этой работы параметров, а затем подбор динистора по найденным параметрам.