7.2.1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)
При напряжениях на коллекторном переходе UK , далеких от пробивного, обратный ток IK0 кремниевых переходов очень мал, не превышает единиц микроампер. В свою очередь 1, 2 кремниевых приборов при малых токах близки к нулю. Следовательно, ток через структуру, называемый током утечки IУТ (при IУ=0), лишь немного превышает IK0. Напряжение (UK U0) при этом может достигать нескольких сотен вольт. Такое состояние тиристора называют закрытым, оно эквивалентно отключенному положению ключа. Это состояние соответствует участку 1 вольт-амперной характеристики, приведенной на рис.7.2,а.
Для улучшения наглядности на рис.7,2,б показана та же характеристика с растянутой по оси токов начальной частью с искаженными масштабами.
а б
Рис. 7.2
При заданном токе управления (IУ 0) ток утечки транзистора IУТ на участке 1 в соответствии с (7.4) несколько больше определяемого по (7.5), но все равно остается весьма малым, не превышая единиц миллиампер. Каждому значению тока IУ соответствует своя ветвь на участке 1. На рис.7.2, кроме характеристики IУ = 0, приведены две характеристики для IУ = IУ1 , и IУ = IУ2.
7.2.2. Открытое состояние (ключ включен)
Если сумма 1+2 близка к единице, знаменатель в (7.5) близок к нулю, то ток Ia тиристорной структурой в этом случае не ограничивается (согласно (7.5) ток Ia равен бесконечности). Практически ток Ia ограничивается внешним резистором Ra. Напряжение на тиристоре при этом не превышает двух вольт, поэтому ток
(7.7)
Такое состояние тиристора называют открытым, оно эквивалентно включенному положению ключа.
Открытое состояние соответствует участку 3 вольт-амперной характеристики. Величина тока IУ не влияет на участок 3.
При изменении полярности внешнего напряжения Ua оба эмиттерных перехода смешаются в обратном направлении, коллекторный - в прямом. Такое направление называют обратным. Тиристор при этом не отличается практически от обычного диода. Обратное направление соответствует участку 4 вольт-амперной характеристики.
7.3. Включение и выключение тиристора
Включение тиристора при IУ = 0. Переход тиристора от закрытого (участок 1) к открытому (участок 3) называется включением тиристора, он соответствует участку 2 характеристики. В основе процесса включения тиристора лежит зависимость коэффициентов 1, 2 от тока коллекторного перехода IК. На рис.7.3 показаны основные потоки носителей, взаимодействие которых определяет состояние тиристора. Физические процессы в тиристоре во многом аналогичны процессам в беэдрейфовом транзисторе и диоде. Эмиттерные переходы Э1 и Э2 выполняют односторонними (рp1 » nn1, пn2 » рp2), поэтому считают, что имеет место только инжекция дырок через Э1 (IЭ1 IP1) и электронов через Э2 (IЭ2 In2). Для сокращения поток дырок 1IP1 называют транзитным, а поток дырок (I -1)IP1, рекомбинируемых в базе п1, - рекомбинационным. Аналогично для базы p2 поток 2 In2 - транзитный, а поток (I - 2)In2 - рекомбинационный.
На начальной части участка 1 при малом токе (Iоб =IK0) коэффициенты 1 и 2 близки к нулю и почти весь поток дырок должен рекомбинировать в базе n1 (т.к. 1Ip1 = 0), а поток электронов In2 - в базе Р2 (т.к. 1In2=0) - для рекомбинации потока дырок (I - 1)Ip1 в базе n1 туда должен втекать такой же поток электронов. При неравенстве этих потоков происходит накопление нескомпенсированных зарядов в базе п1 (дырок или электронов), изменяется смещение на эмиттерном переходе Э1 и автоматически устанавливается равенство потоков рекомбинирующих дырок и электронов в базу п1. Электроны в базу п1, "поставляются" обратным током коллекторного перехода Iоб (Iоб = Iоб.р+Iоб.п), электронная составляющая этого тока Iоб.п является непосредственным "поставщиком" электронов,
Рис. 7.3
а дырочная составляющая Iоб.р "освобождает" электроны в базе n1 вследствие ухода дырок и транзитным потоком электронов 2 In2 через базу Р2 от эмиттерного перехода Э2. В начальной части участка 1 2 In2=0 и единственным "поставщиком" электронов является обратный ток IK. Поэтому и общий ток мало отличается от IK0.
При увеличении напряжения UKоб (UKоб Uа проб) начинается рост обратного тока Iоб коллекторного перехода вследствие лавинного размножения (М > I), следовательно, увеличивается сумма (1+2.), что ведет к дальнейшему росту тока согласно (7.5) и суммы (1+2.) и росту M. Таким образом, начало пробоя (предпробойного явления) коллекторного перехода является началом включения тиристора, однако в дальнейшем процесс включения тиристора развивается самостоятельно и никакой связи с пробоем не имеет.
При росте 1, и 2 увеличиваются транзитные потоки 1Ip1, 2In2 и уменьшаются рекомбинационные потоки (I-1)Ip1, (I-2)In2. Происходит накопление электронов в базе n1 (увеличивается отрицательный нескомпенсированный заряд базы), увеличивается смещение на эмиттерном переходе Э1 и снова устанавливается равенство рекомбинационного потока дырок и притока электронов в базу n1. Такой же процесс происходит и в базе p2, в которой накапливается положительный заряд дырок. При дальнейшем повышении напряжения Uа ток Iа возрастает настолько, что сумма (1+2.) увеличивается до единицы, а знаменатель в (7.5) уменьшается до нуля. Ток Ia начинает нарастать лавинообразно. Напряжение, при котором происходит включение, называют напряжением переключения Uпер, а ток при котором сумма (1+2.) достигает Ia - током включения Iвкл.
Ток Iа должен был бы нарасти до бесконечности согласно (7.5). Однако последовательно с тиристором всегда включается ограничивающий резистор (нагрузка) и при росте тока напряжение уменьшается почти до нуля, а ток включенного тиристора определяется равенством (7.7). Обратный ток Iоб при этом уменьшается до нуля (напряжение UKоб снижается до нуля), а транзитные составляющие вследствие роста 1,2 становятся больше рекомбинационных. Отрицательный заряд электронов в базе п1 и положительный заряд дырок в базе p2 увеличиваются настолько, что за счет этих зарядов коллекторный переход смещается в прямом направлении (при включении изменяется полярность напряжения на коллекторном переходе) и происходит инжекция через коллекторный переход электронов в базу p2, дырок - в базу п1.
Опять устанавливается равенство притоков дырок и электронов в базы. В базе n1, например, во включенном состоянии приток дырок обусловлен рекомбинацией (инжектированных через Э1)и инжекцией через коллекторный переход, а приток электронов - транзитной составляющей 2In2. Напряжение на включенном тиристоре практически равно напряжению на одном эмиттерном переходе (напряжение коллектора и другого эмиттера взаимно компенсируются), а ток ограничивается сопротивлением Rа согласно (7.7). Характеристика включенного тиристора (участок 3) представляет практически прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.
Включение тиристора при IУ 0. При заданном токе управляющего электрода, например IУ = IУ1 (ток утечки) выключенного тиристора, согласно (7.4), больше обратного тока Iоб на величину 2IУ, да и сумма(1+2)несколько больше. При увеличении Uа ток Iа достигает тока включения (при котором 1+2=1) уже при меньшем напряжении и включение тиристора происходит при меньшем (чем Uпер) напряжении Uа. В дальнейшем тиристор во включенном состоянии удерживается зарядами в базах и ток управления IУ уже не играет никакой роли. При некоторой величине тока управления, называемого током спрямления IУ.спр тиристор оказывается включенным сразу, участок 1 при этом отсутствует, а тиристор становится обычным диодом.
З
ависимость
напряжения включения (Uaвкл)
от тока управления включения (Iувкл),
приведенная на рис.7.4, называется готовой
характеристикой управления тиристора
Uaвкл=f(IУвкл)
В большинстве практических схем прямое напряжение на тиристоре выбирается меньше Uпер. Включение тиристора осуществляется короткими импульсами тока с большой амплитудой.
Выключение тиристора. Выключить тиристор (перевести с участка 3 на участок I) можно только снижением тока Ia до тока удержания Iуд, при котором сумма (1+2) станет меньше единицы и произойдет лавинообразное выключение тиристора. В практических схемах выключение тиристора осуществляется снятием напряжения Ua или изменением его полярности на обратную.
Инерционность тиристора. Поскольку протекание тока через тиристор связано с диффузией неосновных носителей в базах, то (установившееся значение тока достигается не мгновенно, а в течение конечного отрезка времени, называемого временем включения tвкл или временем выключения tвыкл. Для маломощных тиристоров tвкл и tвыкл, измеряются единицами и долями микросекунд, для силовых - десятками микросекунд.