3.3 Тиристоры

3.3.1 Устройство и принцип действия

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя последовательно включенными р-n-переходами, который может переключать­ся из закрытого состояния в открытое и наоборот. По устройству и принципу действия тиристоры подразделяются надинисторы, тринисторы и симисторы.

Структура динистора показана на рис. 3.15, а. Крайние области называются p₁ и n₂ -эмиттерами, а средние – р₂ и n₁ – базами.

К эмиттерным областям присоединяют выводы. Электрод, подклю­ченный к p₁-эмиттеру, называется анодом А, а к n₂-эмиттеру – като­дом К. Соответственно переходы П₁ и П₃ , называются эмиттерными, а переход П₂ - коллекторным.

При подключении к динистору напряжения (плюс – на аноде и минус – на катоде) переходы П₁и П₃смещаются в прямом направле­нии, а средний переход П₂– в обратном. Напряжение оказывается целиком приложенным к коллекторному переходу П₂.

При повышении прямого напряжения U_пр от нулевого значения, прямой ток I_пр медленно увеличивается (участок I, рис. 3.15, в). При этом области n₁ и p₂ насыщаются неосновными носителями заряда, и в некоторый момент их концентрация превысит концентрацию основных носителей зарядов (произойдет явление инверсии электропроводности), при этом сопротивление коллекторного перехода П₂ резко умень­шится. Процесс развивается за несколько микросекунд и сопровож­дается уменьшением сопротивления в результате лавинного увеличе­ния числа носителей электрических зарядов в слое П₂ и переноса тока через коллекторный переход П₂. Участок кривой II на ВАХ называют участком с «отрицательным» сопротивлением Напряжение, при кото­ром включается динистор, называют напряжением включения U_вкл.

В открытом состоянии динистор будет находиться до тех пор, пока через него проходит ток, равный току удержания I_уд (точка Б на участ­ке III на рис. 3.16, в). Значение прямого тока динистора определяется величиной внешнего напряжения и сопротивлением нагрузки R_н.

Если изменить полярность внешнего напряжения, т.е. соединить анод с отрицательным, а катод с положительным зажимом источника, то переходы П₁ и П₃ смещаются в обратном направлении, а П₂ – в пря­мом направлении, и через динистор будет проходить небольшой об­ратный ток (участок IV на рис. 3.16, в) двух последовательно соеди­ненных и включенных в обратном направлении полупроводниковых диодов. Динистор будет находиться в закрытом состоянии.

Тринистор, у которого имеется вывод от одной из баз, назы­вается триодным тиристором. Дополнительный третий вывод называет­ся управляющим электродом (УЭ). Тринистор (далее просто тиристор) по сравнению с динистором имеет возможность управлять напряжением включения с помощью цепи управления УЭ – катод, причем мощность в этой цепи значительно меньше мощности силовой цепи анод – катод. Тиристоры могут быть незапираемыми и запираемыми. В незапираемых тиристорах УЭ используется только для отпирания, т. е. для переключения тиристора в открытое состояние, а в запираемых тири­сторах посредством сигналов на УЭ можно как открывать, так и закры­вать тиристор (требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса). Структура незапираемого тиристора приведена на рис. 3.16, а. Прибор состоит из четырех чередующихся р- и n -областей. Кроме анодного и катодного выводов, имеется еще и управляю­щий электрод - УЭ, который может быть присоединен к базовым р- или n- областям. Если УЭ присоединен к р-базе, на него подается по­ложительное напряжение по отношению к катоду, если к n-базе, по­лярность меняется на обратную.

Эффект управления объясняется тем, что входной ток управляющего электрода I_упр ускоряет процесс насыщения соответсвующей области неосновными носителями заряда, напряжение включения прибора при этом уменьшается. Обеспечение величины тока управления на уровне I_{упр ном} дает возможность открывать прибор при малых значениях прямого напряжения. Тиристор имеет два устойчивых состояния: первое характеризуется малым прямым током через тиристор и большим падением напряжения в нем – закрытое состояние, второе – соответствует большому прямому току и малому падению напряжения на тиристоре – открытое состояние. После отпирания прибора напряжение с управляющего электрода может быть снято, при этом прибор останется в открытом состоянии. Это свойство используется при построении схем, в которых управление тиристорами осуществляется подачей на УЭ коротких управляющих импульсов (амплитуда и длительность импульсов зависит от типа и мощности тиристора и приводится в справочниках). Для запирания тиристора необходимо умень­шить его прямой ток до значения, не превышающего ток удержания I_уд (требуется подать напряжение обратной поляр­ности, или снять напряжение питания анод – катод). На рис. 3.16, б показано условное графическое изображение тиристора.