2.3 Устройство и характеристики полупроводникового диода
П/п диод состоит из кремниевой шайбы, в которой слабо легированный n-слой расположен между высоколегированными n+ и р+ слоями (рис. 2.2.).
Рис. 2.2. Структура высоковольтного кремниевого диода
Двусторонняя металлизация кремниевой шайбы служит для получения хорошего контакта, необходимого для пропускания тока и для отвода тепла.
Показанная на рис. 2.2. структура обеспечивает высокое пробивное напряжение, т.к. при приложении обратного напряжения в слабо легированном n-слое возникает широкая область объемного заряда. В проводящем состоянии n-слой заполняется поступающими из сильно легированных n+ и р+ слоев подвижными носителями заряда, поэтому падение напряжения невелико.
На рис. 2.3. приведена вольтамперная характеристика диода.
Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика диода:
ПС - проводящее состояние; ЗС - запертое состояние; UF, IF - прямые напряжение и ток; UR, IR - обратные напряжение и ток; U(BR) - напряжение пробоя; U(TO) - пороговое напряжение
2.4 Принцип работы и конструкция тиристора
В тиристоре различают три р-n перехода П1, П2, П3 (рис. 2.4). В запертом состоянии (катод положителен, анод отрицателен ) переходы П1 и П3 смещены в обратном, а П2 - в прямом направлении, из-за чего переход П3 воспринимает практически все запирающее напряжение, т. к. из-за наличия широкой n-базы пробивное напряжение этого перехода оказывается высоким.
Рис. 2.4. Структура тиристора: стрелки показывают прохождение токов при включении по управляющему электроду ( ток управления; — анодный ток в начале процесса включения)
При подаче прямого напряжения ( катод отрицателен, анод положителен) переходы П1 и П3 смещены в прямом, а П2 - в обратном направлении, т. е. переход П2 воспринимает все приложенное напряжение, и тиристор остается в запертом состоянии. Если приложенное напряжение повысится, ток через прибор возрастет и запирающие свойства перехода П2 снизятся. Когда анодное напряжение превысит напряжение переключения, тиристор переходит скачком (переключается) во включенное состояние (включение " по анодной цепи "). Резкое возрастание анодного тока при анодном напряжении, меньшем напряжения переключения, может также иметь место, если превышена допустимая температура запирающего слоя или превышена критическая скорость нарастания анодного напряжения (в этом случае сказывается наличие емкостей p-n переходов). В большинстве случаев тиристоры включаются с помощью положительных импульсов, подаваемых на управляющий электрод (включение “по цепи управления”). При этом в области А полупроводникового перехода П2 (рис. 2.4) протекает прямой ток и включенное состояние перехода расширяется со скоростью примерно 0,1 мм/мкс.
Если при включении тиристора превышается критическая скорость нарастания анодного тока, то первоначально включившаяся небольшая область кремниевой шайбы может так сильно нагреться, что тиристор выйдет из строя.
Когда анодный ток снижается до значения, меньшего тока удержания, тиристор переходит в запертое состояние. Обычно запирание проводящего ток тиристора производится путем подачи обратного напряжения. На рис. 2.5 показана ВАХ тиристора.
Рис. 2.5. Вольт-амперная характеристика тиристора:
ПС - проводящее состояние; БС - прямое блокирующее состояние; штриховая часть - характеристики область отрицательного сопротивления; ЗС - обратное запертое состояние; uT,iT - прямые напряжение и ток при ПС; uD, iD - прямые напряжение и ток при БС; uR, iR - обратные напряжение и ток при ЗС; U(BO) - напряжение переключения; U(BR) - напряжение пробоя; IН — ток удержания
У большинства диодов и тиристоров металлический корпус имеет потенциал анода либо катода прибора. Более удобны для конструирования преобразователей приборы с изолированным корпусом или основанием, через которое происходит отвод тепла. В настоящее время выпускаются как отдельные вентили, так и вентильные модули подобной конструкции, последние состоят из управляемых или неуправляемых двух вентильных плеч или полной мостовой схемы.
Фототиристоры позволяют при использовании их в высоковольтных преобразователях снизить требования к изоляции разделительных импульсных трансформаторов цепи управления. В этих приборах луч света попадает непосредственно на р-базу (рис. 2.4) через стеклянное окно в корпусе прибора, так что в р-базе генерируются пары носителей заряда и тиристор включается. Тиристорный оптрон имеет в одном корпусе фототиристор и светодиод, при пропускании тока через светодиод последний излучает свет и включает фототиристор.
В тиристоре с обратной проводимостью на одной кремниевой шайбе создают тиристорную и диодную структуры, включенные встречно-параллельно. Эта комбинация позволяет упростить схемы некоторых преобразователей (таких как трехфазный мостовой инвертор, преобразователи постоянного напряжения и др.).
В быстродействующих и частотных тиристорах скорость распространения включенного состояния p-n перехода особенно высока; это достигается с помощью сильно разветвленной поверхности управляющего электрода или с помощью специальной вспомогательной тиристорной структуры, созданной на той же кремниевой шайбе. При этом уменьшаются потери мощности в тиристоре при включении, что позволяет использовать эти приборы на частотах до 10 кГц.
В тиристорах с комбинированным выключением отрицательный импульс тока управления ускоряет процесс выключения анодного тока, вызванный подачей на прибор обратного анодного напряжения; это позволяет упростить коммутационный узел в преобразователях с принудительной коммутацией.
Запираемые (двух операционные) тиристоры не нуждаются для выключения в подаче обратного напряжения на анод и, соответственно, в дополнительном коммутирующем устройстве; они могут быть выключены с помощью отрицательного импульса тока управления с амплитудой, составляющей примерно 1/5 анодного тока, который необходимо прервать.
Тиристоры последних 3-х типов обычно используются лишь в специальных случаях, так как их положительные свойства достигаются преимущественно за счет ухудшения других параметров; кроме того, из-за небольшого количества выпускаемых приборов этих типов и более сложной технологией изготовления их стоимость высока.