Электроника / 3 - Тиристоры

§ 1. ТИРИСТОРЫ

Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокий проводимости (тиристор открыт). Перевод тирис­тора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздей­ствием на прибор. К числу факто­ров, наиболее широко используе­мых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжени­ем (током) или светом (фототири­сторы).

Основными типами являются диодные (рис.1.1. а) и триодные (рис. 1.1. б-г) тиристоры.

Рис. 1.1. Условные обозначения тиристоров: динистира (а), одноопе­рационного тиристора (б), двухоперационного тиристора (в), фототиристора (г), симистора (д).

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины, являющейся параметром прибора. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи третьего - управляющего электрода. По цепи управляющего электрода при этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния тиристора. В зависи­мости от этого различают одно- и двухоперационные тиристоры. В однооперационных тиристорах (рис. 1.1. б) по цепи управляющего электрода осуществимо только отпирание ти­ристора. С этой целью на управляющий электрод подается положительный относительно катода импульс напряжения. Запирание одно­операционного тиристора, а также динистора производится по цепи анода изменением полярности напряжения анод — катод. Двух­операционные тиристоры допускают по цепи управ­ляющего электрода как отпирание, так и запирание прибора. Для запирания на управляющий электрод подается отрицательный им­пульс напряжения. В фото­тиристорах (рис.1.1. г) отпирание прибора производит­ся с помощью светового им­пульса.

Рис. 1.3. Составляющие токов в ти­ристоре при включении внешних на­пряжений

Рис.1.2. Полупроводниковая структура тиристора

Все перечисленные приборы выполняют функцию бесконтактного ключа, обладающего односторонней проводимостью тока. Прибор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях, называют сим­метричным тиристором (симистором). По своему назначению симистор (рис.1.1. д) призван выполнять функции двух обычных тиристоров (рис. 1.1. б), включенных встречно-параллельно.

Анализ принципа действия указанных типов тиристоров проведем следующим образом. Достаточно подробно рассмотрим работу одно­операционного тиристора (рис.1.1. б), как наиболее распространен­ного, а для других типов покажем их особенности.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводнико­вую структуру типа р-п-р-п с тремя р-n-переходами (рис. 1.2), в которой p₁-слой выполняет функцию анода, а n₂-слой — ка­тода. Управляющий электрод связан с p₂-слоем структуры. Основ­ной материал в производстве тиристоров — кремнии. Четырехслойная структура обычно создается по диффузионной технологии. Ис­ходным материалом является кремниевая пластина n-типа толщиной 70-600 мкм (в зависимости от типа тиристора). Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру типа р₁-п₁-р₂. Затем после локальной обработки поверхности р₂-слоя вносят донорную примесь в p₂-слой для получения четвертого n₂-слоя.

Для удобства изучения процессов, протекающих в тиристоре, представим его в виде структуры, изображенной на рис.1.3. Рас­смотрение проведем с помощью вольт-амперной характеристики ти­ристора (рис.1.4.) при включении внешних напряжений в соответ­ствии с рис. 1.3.

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характе­ристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у = 0. Обратному напряжению тиристора (Е < 0, U_ак < 0) соответствует подключение внешнего напряже­ния отрицательным полюсом к ано­ду и положительным — к катоду. Полярность напряжения на тирис­торе и его распределение по пере­ходам структуры показаны на рис. 1.3 без скобок.

Приложение обратного напря­жения к тиристору вызывает сме­щение среднего перехода П₂ в пря­мом направлении, а двух крайних переходов П₁ и П₃ — в обратном. Переход П₂ открыт, и падение нап­ряжения на нем мало. Поэтому можно предположить, что обратное напряжение U_b распределяется главным образом по переходам П₁ и П₃.

Рис. 1.4. Вольт-амперная харак­теристика тиристора

Однако в процессе изготовления тиристора концентрация при­меси в р₂- и n₂-слоях обеспечивается достаточно высокой по сравнению с концентрацией в р₁- и n₁-слоях и переход П₃ получается узким. С приложением обратного напряжения переход П₃ вступает в режим электрического пробоя при напряжении, существенно мень­шем рабочих напряжений U_b. Обратное напряжение, по существу, прикладывается к переходу П₁, т. е. обратная ветвь вольт-амперной характеристики тиристора (рис.1.4) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода П₁.

Таким образом, способность тиристора выдерживать обратное напряжение возлагается на p-n-переход П₁.

Проанализируем поведение тиристора при подведении к нему напряжения в прямом направлении (E>0, U_ак>0). Полярность внешнего напряжения на тиристоре и переходах струк­туры показана на рис. 1.3 в скобках. Крайние переходы П₁, П₃ сме­щаются в прямом направлении, а средний переход П₂ — в обратном. В связи с этим напряжение на приборе оказывается приложенным практически к переходу П₂. Вначале рассмотрим случай отсутствия тока управления (I_у = 0). Этот режим, как и предыдущий, справед­лив и для динистора.

Анализ процессов в тиристоре при U_ак > 0 удобно проводить, воспользовавшись так называемой двухтранзисторной аналогией. При наличии на тиристоре напряжения в прямом направлении его можно представить в виде двух транзисторов типов р-п-р и п-р-п: транзистора Т₁ типа p₁-n₁-p₂ и транзистора Т₂ типа n₂-p₂-n₁ (см. рис.1.3). Эмиттерным переходом для первого транзис­тора является переход П₁, для второго транзистора Т₂ — переход П₃. Переход П₂ служит общим коллекторным переходом обоих тран­зисторов. При этом полярность напряжений на переходах соответ­ствует той, какая требуется для работы обоих транзисторов в уси­лительном режиме: эмиттерные переходы смещены в прямом направ­лении, а коллекторный — в обратном.

Представив тиристор в виде сочетания транзистора Т₁, с коэффи­циентом передачи тока α₁ и током эмиттера I_э1 и транзистора Т₂ с коэффициентом передачи тока α₂ и током эмиттера I_э2, нетрудно по­казать составляющие тока в приборе (см. рис.1.3). Составляющая (1 - α₁) I_э1 — это ток базы транзистора Т₁, составляющая α₁I_э1 — ток коллектора этого транзистора. Токи транзистора Т₁ обусловлены главным образом движением дырок через n₁-базу. В транзисторе Т₂ ток переносится в основном электронами (пунктирные стрелки на рис. 1.3). Его составляющие (показаны на рис. 1.3 сплошными ли­ниями) представляют собой: (1 – α₂)I_э2 - ток базы, α₂ I_э2 — ток коллектора. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, через него протекают также составляющие, обуслов­ленные неосновными носителями заряда: дырки n₁-области создают ток I_{к р}, электроны p₂-области — ток I_{к n}. Токи I_{к р} и I_{к n} образуют суммарный ток I_к (см. рис. 1.3).

Рис. 1.4. Вольт-амперная харак­теристика тиристора.

Одним из факторов, влияющих на прямую ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, является зависимость коэф­фициентов α₁ и α₂ от тока. Примерный вид этой зависи­мости показан на рис. 1.5. Большее значение коэффициента α₂ по сравнению с α₁ объясняется меньшей толщиной p₂-базы по сравнению с n₁-базой (см. рис. 1.3). В связи с этим n₁-базу часто называют толс­той, а p₂-базу — тонкой. Требуемая зависимость коэффициентов α от тока

создается в процессе изготовления приборов. Так, например, широко приме­няется шунтирование перехода П₃, что приводит к уменьшению эффективности

эмиттера транзистора Т₂ и коэффициента α₂ в области малых токов.

После выяснения составляющих токов тиристора и установления зависимости коэффициентов α от тока можно рассмот­реть прямую ветвь вольт-амперной харак­теристики прибора (рис. 1.4).

На начальном участке 0-б, соответст­вующем малым значениям прямого напря­жения U _а , ток I _а мал. Коэффициенты α₁ и α₂ близки к нулю. Близки к нулю также составляющие токов α₁I_э1 и α₂I_э2 перехода П₂. Ток через переход П₂, а следовательно, и ток через тиристор I _а будет равен току I _к, т. е. в данном случае будет опреде­ляться обратным (тепловым) током I _{к 0} перехода П₂. Таким образом, начальный участок 0-б прямой ветви вольт-амперной характерис­тики тиристора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-п-перехода П₂, смещенного в обратном направ­лении.

По мере роста анодного напряжения, а следовательно, и напря­жения на коллекторном переходе увеличиваются ток I _к и анодный ток через тиристор. Причина возрастания тока I _к связана, как из­вестно, с увеличением тока утечки по поверхности перехода и умно­жением в нем носителей заряда. Увеличение тока через прибор сопровождается повышением коэффициентов α₁ и α₂. С некоторого значения тока I _а необходимо учитывать составляющие токов тран­зисторов α₁I_э1 и α₂I_э2, протекающие через коллекторный переход. Вследствие того что повышение напряжения U_а приводит к увели­чению тока I _к, а также составляющих α₁I_э1, α₂I_э2, на вольт-амперной характеристике появляется участок б - в с более сильной зависимостью тока I _а от напряжения U _а.

Ток I _а можно найти, определив ток I _n2, протекающий через кол­лекторный переход:

I _п2 = α₁I_э1 + α₂I_э2 + I _к. (1.1)

С учетом того, что в любом сечении прибора при I _у = 0 протекает один и тот же ток I _а (I _п2 = I _э1 = I _э2 = I _а), соотношение (1.1) при­обретает вид

I _п2 = I _а = (α₁ + α₂) I_а + I _к, (1.2)

откуда

I _а = I _к / 1 - (α₁ + α₂). (1.3)

Выражение (1.3) подтверждает наличие участков 0-б и б-в на вольт-амперной характеристике тиристора. При малых напря­жении U_а и токе I _а (участок 0-б) сумма коэффициентов передачи тока α₁ + α₂ ≈ 0, анодный ток I _а ≈ I _к . На участке б-в ток I _а возрастает за счет увеличения тока I _к и суммы α₁ + α₂, которая, однако, не достигает единицы на этом участке.

Точка в является граничной, в которой создаются условия для отпирания тиристора. Напряжение на приборе в точке в называется напряжением переключения U_пер.

Рассмотрим более подробно процесс перехода тиристора из зак­рытого состояния в открытое (участок в—г). При этом объясним сущ­ность двух явлений, связанных с отпиранием прибора: 1) уменьшение напряжения на переходе П₂ и тиристоре; 2) действие внутренней положительной обратной связи в приборе, благодаря которой процесс имеет скачкообразный характер.

Причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение роли составляющих α₁I_э1 и α₂I_э2 и соответст­венно их суммы (α₁ + α₂) I_а в токе через переход П₂ по сравнению с током I _к. По мере приближения к точке в увеличение тока через прибор происходит главным образом за счет составляющих α₁I_э1 и α₂I_э2, а не за счет увеличения тока I _к == I _{к 0}, вызываемого повы­шением напряжения на переходе П₂. В точке в роль составляющих α₁I_э1 и α₂I_э2 и их суммы (α₁ + α₂) I_а столь значительна в балансе составляющих токов (1.2), протекающих через переход П₂, что даль­нейшее увеличение тока I_а возможно лишь за счет уменьшения тока I_к, а следовательно, уменьшения обусловливающего этот ток напря­жения на переходе П₂ и тиристоре U_а (отпирание прибора).

Уменьшение напряжения на переходе объясняется тем, что уве­личение составляющих токов α₁I_э1 и α₂I_э2 через переход П₂, вызывает увеличение потока электронов в n₁-базу и дырок в p₂-базу и соответ­ственно появление в базах избыточных носителей заряда, снижаю­щих потенциальный барьер коллекторного перехода. Одновременно с этим избыточные носители заряда в базах снижают потенциальные барьеры эмиттерных переходов П₁ и П₃, вызывая дополнительную инжекцию носителей заряда. Это приводит к еще большему возрас­танию коэффициентов α₁ и α₂ и заполнению носителями зарядов обе­их баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания.

Участок г-д соответствует открытому состоянию тиристора. В точке г напряжение на переходе П₂ равно нулю, ток I_к = 0, сумма коэффициентов α₁+ α₂ = 1. Ток через переход П₂ равен сумме сос­тавляющих α₁I_э1 и α₂I_э2. Напряжение на приборе U_а в точке г равно сумме напряжений на переходах П₁ и П₂, смещенных в прямом нап­равлении.

При перемещении по кривой от точки г к точке д ток через тирис­тор возрастает, что увеличивает коэффициенты α₁ и α₂, а также их сумму (α₁+ α₂ > 1). Баланс составляющих токов через коллектор­ный переход достигается изменением полярности напряжения на переходе П₂ («переполюсовка» коллекторного перехода на рис. 1.3), вследствие чего ток I_к изменяет направление. Иными словами, кол­лекторный переход под действием избыточных зарядов - дырок в p₂-базе и электронов в n₁-базе, создаваемых потоками носителей со­ответственно первого и второго транзисторов, переводится в про­водящее состояние, обеспечивая встречную инжекцию носителей заряда (ток I_к теперь уже не является обратным током коллекторного перехода П₂).

Таким образом, коллекторный ток I_к играет существенную роль в работе тиристора, обеспечивая баланс составляющих токов через коллекторный переход. Необходимая величина I_к устанавливается благодаря изменению напряжения на коллекторном переходе под действием зарядов, накапливаемых в базах тиристора.

На участке г-д все три p-n-перехода прибора находятся под пря­мым напряжением смещения. Напряжения на переходах П₁, П₃ противоположны по знаку напряжению на переходе П₂. В связи с этим падение напряжения на приборе (0,75—1,5 В) примерно равно падению напряжения на одном переходе (как в диоде). Увеличение падения напряжения на тиристоре при движении по кривой от точки г к точке д объясняется повышением напряжения на переходах и ростом па­дения напряжения в слоях полупроводниковой структуры с увели­чением тока.

Рассмотрим поведение тиристора при наличии тока управления (I_у > 0). С этой целью получим выражение для его анодного тока. При I_у > 0 также справедливо выражение (1.1), определяющее ток коллекторного перехода по его составляющим. Как и в предыдущем случае, I _п2 = I _э1 = I _а, но ток I _э2 будет входить I _у, поэтому I _э2 = I _а + I_у. С учетом приведенных соотношений решение (1.1) от­носительно I_а дает

I _{а =} (I _к + α₂I _у) / (1 – (α₁ + α₂)) (1.4.)

В соответствии с выражением (1.4) ток управления приводит к более крутому нарастанию анодного тока. Это связано, во-первых, с наличием в числителе выражения (1.4) составляющей α₂I_у и, во-вторых, с большим значением коэффициента α₂ вследствие возрас­тания тока I_э2 на величину тока управления. Ввиду появления до­полнительной составляющей α₂I_у в токе коллекторного перехода и повышения коэффициента α₂ переключение тиристора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем напряжении на при­боре (см. рис. 1.4.). Процесс, связанный с переходом тиристора из закрытого состояния в открытое, происходит при I_у ≠ 0 подобно рассмотренному. Влияние тока I_у на вольт-амперную характеристику тиристора иллюстрируют участки кривых 0-е и 0-ж, показанные для двух значений тока управления I_у2 > I _у1.

При некотором значении тока управления участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви вольт-амперной характерис­тики исчезает и характеристика приближается к прямой ветви вольт-амперной характеристики простого р-п-перехода (ветвь 0-г-д). Наблюдается так называемое спрямление характеристики. Значение тока I_у, при котором происходит спрямление характерис­тики, определяет ток управления спрямления I_{у спр}.

Тиристор как ключевой элемент нашел широкое применение в цепях постоянного и переменного токов. Рассмотренный режим ра­боты, когда отпирание прибора следует после достижения на нем на­пряжения переключения U_пер (переключение по цепи анода), исполь­зуется лишь в схемах с динисторами.

Для тиристора переключение по цепи анода представляет интерес лишь с точки зрения анализа принципа действия и вольт-амперной характеристики этого прибора. Практическое применение нашел ре­жим отпирания по управляющему электроду, т. е. за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Сущ­ность этого режима отпирания тиристора заключается в следующем.

В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания Е меньше напряжения пере­ключения тиристора U_пер. При Е > 0 рабочая точка тиристора распо­ложена на прямой ветви вольт-амперной характеристики 0-в. Че­рез нагрузку и тиристор (см. рис. 1.3) протекает малый ток, соответ­ствующий рабочей точке на этой ветви. В требуемый момент времени подают импульс управления E_у, задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока управления, больший тока спрямления. Ти­ристор открывается, и рабочая точка переходит на ветвь г-д. Ток через тиристор и нагрузку находят теперь из соотношения I_а = I_н = (Е — U_а)/R_н , где U_а — падение напряжения на тиристоре, опре­деляемое рабочей точкой на ветви г-д Задачу определения токов и напряжений удобно решать графически, построив линию, проходящую через точки с координатами (0; E/R_н) и (Е; 0) (см. рис.1.4). Коор­динаты точек пересечения этой линии с вольт-амперной характери­стикой определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и от­крытом состояниях.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Их справочными параметрами по току служат допустимое значение среднего прямо­го тока (как для маломощных выпрямительных диодов и диодов средней мощности) или максимальный постоян­ный прямой ток. Параметром по напряжению этих тиристо­ров является максимально допустимое напря­жение, которое определяется по наименьшему из значений прямо­го (U_пер при I_у = 0) и обратного напряжений, соответствующих нача­лу крутого нарастания обратного тока.

Мощные тиристоры используются в системах преобразования элек­трической энергии. Параметры по току (I_п, I_р.п, I_уд) и напряжению (U_р, U_п, U_нп ) у них те же, что и для мощных диодов. Пара­метры по напряжению указываются по наименьшему значению пря­мого и обратного напряжений. Мощные тиристоры выполняют с теплоотводом. Способы теплоотвода здесь те же, что и для мощных диодов. Подобным же образом решаются задачи последовательного и парал­лельного соединения тиристоров.

Из других наиболее существенных параметров необходимо указать обратный ток тиристора, напряжение и ток цепи управления, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое. Динамические параметры тиристора характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения t_вк) и время восстановления запирающих свойств (время выключения t_в).

Восстановление запирающих свойств осуществляется за счет при­ложения к тиристору обратного напряжения. Величина t_в определя­ет время, в течение которого происходит полное рассасывание носи­телей заряда в базовых слоях ранее проводившего тиристора при приложении обратного напряжения, по окончании которого к прибору может быть вновь приложено напряжение в прямом направлении без опасения его самопроизвольного отпирания. Процесс восстановления запирающих свойств происходит за счет двух факторов: протекания обратного тока через тиристор, при котором отводится основная часть носителей заряда, накопленных в базах прибора, и рекомбинации оставшихся носителей заряда. Величины t_вк и t_в определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время t_вк составляет от 1-5 до 30 мкс, а время t_в — от 5-12 до 250 мкс.

Фототиристор (см. рис. 1.1, г) по принципу действия по­добен рассмотренному. Отличие заключается в том, что увеличение числа носителей заряда в тиристоре, необходимое для его отпирания, производится не за счет тока управления, а за счет освещения прибо­ра (р₂-слоя на рис. 1.3). С этой целью в корпусе прибора предусмат­ривается специальное окно. Фототиристоры нашли широкое приме­нение в высоковольтных установках преобразования электрической энергии, поскольку они позволяют надежно решать задачу развязки по напряжению выходной цепи прибора и системы управления.

Вольт-амперные характеристики двухоперационного тиристора (см. рис. 1.1, в) такие же, как и у однооперацион­ного. В двухоперационных тиристорах запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод — катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току отпирания. При этом используется свойство внут­ренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора T₂ уменьшается, что приводит к уменьшению всех состав­ляющих токов тиристора, а следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора. Двухоперационные тиристоры выпускаются на токи до 10 А.

Рис.1.6. Полупроводниковая структура симистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

В симметричных тиристорах (симисторах, см. рис. 1.1, д) с помощью комбинации р- и n-слоев создают полупро­водниковую структуру (рис. 1.6, а), в которой как при одной, так и при другой полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики обычного тиристора. Прибор способен проводить ток в обоих направлениях; его вольт-амперные характеристики приведены на рис. 1.6, б.

Верхняя часть структуры симистора (рис. 1.6, а) состоит из сло­ев n₁, p₁ и n₄. Ее крайние слои металлизации электрически объеди­нены и связаны с внешним выводом А прибора. В нижней части струк­туры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом В прибора, связывает электрически слои р₂ и n₃. Вывод от централь­ной части p₁-слоя является управляющим электродом тиристора. Слои с противоположным типом электропроводности образуют в структуре пять р-п-переходов.

Предположим, что тиристор закрыт и к внешнему выводу А отно­сительно вывода В подано напряжение положительной полярности (на рис. 1.6, а показана без скобок). При этом переходы П₂, П₄, смещаются в прямом направлении, а переход П₃ — в обратном. Все внеш­нее напряжение будет приложено к переходу П₃.

При подаче на управляющий электрод импульса напряжения по­ложительной полярности относительно вывода А переход П₅, смеща­ется в прямом направлении и инжектирует электроны из n₄-слоя в p₁-слой. Инжектируемые электроны под действием диффузии прохо­дят р₁-слой в направлении перехода П₂. Прямое напряжение на пе­реходе П₂ будет ускоряющим для электронов, которые входят в n₂-слой. Вошедшие электроны снижают потенциал n₂-слоя относитель­но р₁-слоя, прямое напряжение на переходе П₂, увеличивается, что приводит к инжекции дырок из р₁-слоя в n₂-слой. Пройдя под дей­ствием диффузии n₂-слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехо­да П₃ и перебрасываются в p₂-слой. Диффузионное движение дырок в p₂-слое в направлении внешнего вывода В возможно лишь по пути огибания перехода П₄, (на рис. 1.6, а показано стрелкой), так как поле перехода П₄ для дырок будет тормозящим.