Глава 1.6.

ТИРИСТОРЫ

1. Устройство и принцип действия тиристора

Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три или более р-п переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

н уэ

Si

Типичная структура тиристора — четырехслойная, с чередую­щимися слоями полупроводника p-типа и п-типа: р\-п\-р₂-п2 (рис. 1.45, а). На основе этой структуры в зависимости от числа

р'

П1

Р2

п2

ч

Рис. 1.45. Тиристор: а — упрощенная структура: б — схематиче­ское устройство;

I — алюминий; 2 — молибден; 3 — золото-сурьма

выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные, называемые динисторами, и триодные, называемые тринистора- ми. Диодные тиристоры имеют два вывода: от наружного слоя Pi — вывод анода А\ от наружного слоя я₂ — вывод катода К. Триодные тиристоры имеют три вывода: кроме указанных основ­

ных выводов катода и анода — вывод управляющего электрода УЭ от одного из внутренних слоев рг или п\.

Схематическое устройство тиристора показано на рис. 1.45,6. Исходным материалом служит кремний я-типа, в кристалле кото­рого создается структура р-п-р-п. Слои р₂ и л₂ имеют большую концентрацию примесей, а р\ и особенно п\ — меньшую. Пласти­ну кремния с готовой четырехслойной структурой припаивают к кристаллодержателю. Контактные площадки создают металли­зированием, а соединение их с внешними выводами осуществля­ется через вольфрамовые прокладки. Герметизированный корпус предохраняет кристалл от воздействия окружающей среды.

+

п,

'обр 1

ⁿi

’пр

р₂

обр

пр

U обр

*-*пр

а

в

Рис. 1.46. Схема включения тиристора без цепи управления (а); напряжения на р-п переходах при включении в обратном (б) и прямом (в) направ­лениях

Принцип действия тиристора удобно рассмотреть сначала без влияния цепи управления, т. е. для включения его как динистора (рис. 1.46, а). Схема включения имеет только одну цепь между выводами анода и катода. Положительное анодное напряжение является прямым напряжением тиристора, а отрицательное — обратным. Между каждой парой соседних слоев, имеющих раз­ные типы электропроводности, создается р-п переход. При обрат­ном напряжении между анодом и катодом (рис. 1.46,6) пере­ходы П| и П₃ находятся под обратным напряжением, а переход П₂ — под прямым. На переходе П₂ падение напряжения очень мало, поэтому все внешнее напряжение U_a распределяется фак­тически между переходами П| и Пз- В этом случае тиристор ведет себя так же, как диод при обратном напряжении; анодный ток практически отсутствует, и тиристор находится в закрытом состоянии.

При подаче на тиристор прямого напряжения (рис. 1.46, в)

полярность напряжений на р-п переходах изменится: на пере­ходах П₍ и П₃ будет прямое напряжение, а на переходе П2 — обратное. В этом случае падение напряжения на крайних пере­ходах П| и П₃ очень мало; фактически все внешнее напряжение приложено к среднему переходу Пг.

Физические процессы, объясняющие принцип действия тирис­тора при прямом напряжении, очень сложны. Рассмотрение их принято проводить, представив структуру тиристора в виде двух транзисторов с разными типами электропроводности, у каждого из которых база соединена с коллектором другого (рис. 1.47,а). Первый из этих двух транзисторов — Т| типа р-п-р — состоит

-⁶ б

Рис. 1.47. Представление тиристора в виде двух транзисторов: а — структура; б — двухтранзисторный эквивалент

из областей р\ — эмиттер, п\ — база, р₂ — коллектор, а второй — Т₂ типа п-р-п — содержит области п₂— эмиттер, р₂— база, п\ — коллектор. В соответствии с таким представлением тиристо­ра его крайние слои называют эмиттерами, а средние — базами. Таким образом, переход П1 является эмиттерным переходом для транзистора Т_ь а переход Пз — эмиттерным переходом для тран­зистора Т₂; переход П₂ является общим для обоих транзисторов коллекторным переходом. На эмиттерных переходах действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное, что соответ­ствует рабочему режиму транзисторов. Двухтранзисторный экви­валент тиристора показан на рис. 1.47,6.

Ток в цепи тиристора /_а при отсутствии тока в цепи управле­ния — это ток, протекающий последовательно через все четыре слоя его структуры, а значит, через оба эмиттера и коллектор­ный переход П₂. Поэтому можно написать следующие равенства:

Рассмотрим, какие составляющие входят в ток 1п₂ через коллекторный переход. Для транзистора Т\ ток через коллектор­ный переход равен ct|/_si, где ai—коэффициент передачи тока

эмиттера. Для транзистора Т₂ аналогично — а₂/_Э2- Кроме того, через коллекторный переход Я₂ протекает суммарный обратный ток обоих транзисторов /_коб_Р, обусловленный движением неоснов­ных носителей заряда — дырок из слоя п\ в слой р₂ и электронов из рг в п\. Полный ток через коллекторный переход равен сумме этих трех составляющих:

/п-2 ⁼ OlAl 0£₂/_э2 + /кобр-

Или, учитывая, что через /7₂ и эмиттеры проходит один и тот же ток /_а, можно эту сумму написать иначе:

/_а = cl\/_а аг/_а /кобр, откуда получим выражение для анодного тока и цепи тиристора:

1 — (ai -f a₂)

Величина ai и a₂ зависит от толщины базовых слоев п\ и р₂ и от тока /_а в цепи. При малых значениях тока /_а а\ и а₂ близки к нулю, поэтому очень малы составляющие анодного тока aiAi и агЛг, а ток через тиристор обусловлен только обратным током перехода Я₂. В этом режиме тиристор остается закрытым; на прямой ветви вольт-амперной характеристикй тиристора это со­ответствует участку 1, аналогичному обратной ветви характерис­тики р-п перехода (рис. 1.48).

Рис. 1.48. Вольт-амперная характе­ристика тиристора при /у = 0: А — точка переключения; I — участок закрытого состояния; 2 — участок отрицательного динамического со­противления — переход в открытое состояние; 3 — участок открытого состояния

На участке 1 с увеличением анодного напряжения U_a растет обратное напряжение на переходе Я₂ и немного возрастает ток /кобр, а значит, и ток через тиристор /_а. Рост тока /_а вызывает увеличение коэффициентов передачи тока ai и а₂, что в свою очередь приводит к возрастанию составляющих тока cxiAi и а₂/_э2 и более быстрому росту тока /_а.

В точке А мгновенно происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. В этот момент ток скачком возрастает, а напряжение на тиристоре падает, причем этот про­цесс неуправляем (участок 2 так называемого отрицательного динамического сопротивления). Напряжение и ток тиристора

в точке А в момент переключения называют, соответственно, напряжением переключения Ы_прк и током переключения /_|||Ж.

Условие, необходимое для переключения тиристора, как сле­дует из формулы для тока /_а выражается равенством а\ + а₂ = = 1. Действительно, в результате взаимного влияния тока /_а на ве­личину коэффициентов <*| и а₂, а этих коэффициентов на ток h рост тока становится все интенсивнее: например, при ai -J- а₂ = = 0,5 ток /а = 2/коб_Р; при ai-f«2 = 0,8 ток /_а = 5/_Коб_Р; при

Т,_(р— п^р) _а

Unp Unp *-*пр

Э, I Б, 1-1+1 Н,

дырой

Т, (р-п-р) Дырки ’ ^г

Приходит Приходит А

больше больше

электронов

\ Т₂(п—р—п) Приходит больше дырок

Электроны

В закрытом состоянии Т₂(п—р—п)

а

Рис. 1.49. Схема потоков носителей заряда в тиристоре: а — при а.\ + а₂<1; б — при а, + а₂^1

В открытом состоянии

а\ ~j- а2 — 0,95 /а — 20/к обр, при ai -1- аг — 0,99 /а — 100/к обр- В тот момент, когда aj -|~аг= 1, знаменатель в выражении для тока /_а обращается в нуль, а ток должен бесконечно возрасти, но он ограничивается сопротивлением нагрузки R_H в анодной цепи.

Рассмотрим процессы, сопровождающие переход тиристора из закрытого состояния в открытое (рис. 1.49).

Для упрощения будем считать, что ai = аг, хотя обычно создают несимметричную структуру, где а₂>аь До момента переключения (си + a₂) <С 1 (рис. 1.49, а); можно считать, что для каждого транзистора Т\ н Т% а <С 0,5. Это означает, что в транзисторе Т\ (pi-/i|-p₂) из потока дырок от эмиттера Э\ большая часть оседает в базе Б\, а меньшая переходит через

ИййгаНяй

коллекторный переход /7₂ в коллектор К\. Аналогично в тран­зисторе Т₂ (п₂-р₂-п\) большая часть электронов из эмиттера Э₂ остается в базе Б₂, а меньшая переходит в коллектор К₂ через переход П₂. Таким образом, при щ + аг < 1 в потоке носителей заряда, поступающих в область п\, преобладают дырки, а в пото­ке носителей заряда, поступающих в область р₂, — электроны. В базах возрастает концентрация неосновных носителей заряда, увеличивающих обратный ток коллекторного перехода, а напря­жение на переходе П₂ остается обратным. Рост тока через тирис­тор, остающийся закрытым, происходит за счет увеличения /_КОб_Р-

С ростом тока и увеличением суммы ai + a₂ все больше дырок из области р, через базу п\ и переход П₂ переходит в об­ласть р₂; одновременно увеличивается поток электронов из обла­сти п₂ через область р₂ и переход П₂ в область п\. Эти носители заряда, скапливаясь по обе стороны от р-п перехода П₂ (дырки в р₂-базе и электроны в ni-базе), создают электрическое поле, направленное встречно полю, созданному обратным напряже­нием, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехо­да. В тот момент, когда oti -f- оьг = 1, потенциальный барьер полностью скомпенсирован, обратное напряжение на переходе П₂ равно нулю, тиристор открывается. Одновременно с этим повышение концентрации избыточных основных носителей заряда в базах усиливает инжекцию носителей заряда в базы из эмитте­ров, что вызывает еще большее возрастание коэффициентов пере­дачи тока и их суммы ai + 02, а следовательно, еще более быстрый рост тока. Процесс носит лавинообразный характер, так как возникает положительная обратная связь, когда след­ствие происходящих явлений влияет на их причину, еще более усиливая ее воздействие на рост тока.

В результате этих процессов переключение тиристора проис­ходит мгновенно и неуправляемо, а напряжение на тиристоре падает, так как ни на одном из переходов нет обратного напря­жения. Это соответствует участку 2 на рис. 1.48.

После включения тиристора его работа осуществляется при открытом состоянии, когда ai + a₂>l. Небольшое увеличение напряжения вызывает быстрый рост тока через тиристор (учас­ток 3 на рйс. 1.48). Этот участок вольт-амперной характеристики тиристора в прямом направлении соответствует прямой ветви характеристики диода. Потоки дырок в р₂-базу и электронов в Пгбазу возрастают; в результате этого на переходе П₂ изменя­ется полярность напряжения: слой р₂ у перехода заряжается положительно, а п\ — отрицательно, т. е. создается прямое нап­ряжение (рис. 1.49,6).

В открытом состоянии все три перехода находятся под пря­мым напряжением, обратный ток коллекторного перехода отсут­ствует. Ток в основной цепи создается движением инжектируе­мых из эмиттеров носителей заряда: дырок — от 3i через все области к катоду, а электронов — от Зг в обратном направле­нии — к аноду. С увеличением приложенного напряжения возра­стает напряжение на р-п переходах и растет ток. Поскольку прямое напряжение на переходе П₂ по полярности противопо­ложно прямым напряжениям на переходах П\ и Яз, то напря­жение на тиристоре в открытом состоянии практически равно прямому напряжению на одном р-п переходе (0,75—1,5 В).

С уменьшением напряжения на тиристоре в открытом состоя­нии ток тиристора уменьшается, а при определенном значении

УЭ

Рис. 1.50. Схема включения тиристора с цепью управления (а) и условные графические обозначения динистора (б), тринистора с управлением по катоду (в) и по аноду (г); д — схема включения тиристора

тока тиристор переходит в закрытое состояние. Наименьший ток в основной цепи, необходимый для поддержания тиристора в от­крытом состоянии, называется током удержания тиристора /_уд. При /_а < /у_Д слои около перехода Я₂ обедняются носителями заряда, напряжение на нем становится обратным, тиристор за­крывается.

В рассмотренном случае работы тиристора при отсутствии тока управления переход в открытое состояние достигается уве­личением прямого напряжения до величины напряжения пере­ключения U_npK. Такой способ включения используется только в схемах с динисторами.

Тринистор помимо основной цепи между анодом и катодом имеет цепь управления. Для этой цепи нужен вывод управляю­щего электрода УЭ. Назначение цепи управления состоит в уп­равлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение переключения U_npк. Если вывод управляющего электрода сделан от базового слоя

Р2, то источник управляющего тока Е_у включается между УЭ и катодом. Такая схема управления по катоду приведена на рис. 1.50, а. Возможна и другая схема, в которой вывод управ­ляющего электрода сделан от базового слоя щ, а источник Е_у включается между УЭ и анодом. В этом случае осуществляется управление по аноду. Условные графические обозначения тири­сторов разного типа приведены на рис. 1.50, б, в, г. В обоих случаях источник Е_у включается так, чтобы ток управления /_у протекал от него через один из эмиттерных переходов в пря-

мом направлении (рис. 1.50, д).

Рис. 1.51. Семейство вольт-ам- перных характеристик тиристора при разных значениях тока уп­равления

Рассмотрим влияние тока управления на работу тиристора при прямом напряжении между анодом и катодом в схеме рис. 1.50, а. В основную цепь включены источник питания £_а и нагрузка R_H. В цепь управления включен источник управляю­щего сигнала Е_у, дающий ток управления /_у. Полярность источ­ника Е_у совпадает по знакам с прямым напряжением на пере­ходе Я₃. Напряжение между управляющим электродом и катодом называется напряжением управления U_y.

При включении цепи управления ток /_у, проходя от управ­ляющего электрода через переход Яз к катоду, добавляется к току эмиттера Э₂ и вызывает увеличение коэффициента передачи тока аг- В результате этого возрастает ток коллекторного пере­хода Я₂, а значит, и ток в цепи тиристора, и переключение тиристора происходит при меньшем напряжении на нем. Все процессы, происходящие при переходе тиристора из закрытого состояния в открытое под действием тока управления, такие же, как под действием основного напряжения, достигающего вели­чины напряжения переключения U_npK при /_у = 0. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение, при котором открывается тиристор. Это отражает семейство вольт-амперных характе­ристик, снятых в прямом направлении при разных значениях тока управления (рис. 1.51). При определенном значении тока управления, называемом током управления спрямления /_ус, пря­

мая ветвь характеристики спрямляется, участок закрытого со­стояния 1 отсутствует; тиристор при прямом напряжении открыт, как диод.

Ток управления влияет только на крутизну участка 1 закры­того состояния тиристора и напряжение перехода в открытое состояние; на рабочий участок характеристики в открытом со­стоянии ток управления не оказывает влияния. После включения тиристора цепь управления может быть разомкнута, а тиристор будет продолжать работать в открытом состоянии. Благодаря этому свойству в практических схемах используют автоматиче­скую подачу кратковременных импульсов тока управления для включения тиристора в нужный момент времени.

Выключение тиристора — переход в закрытое состояние — может быть осуществлено уменьшением тока до величины, меньшей тока удержания, или изменением полярности основного напряжения U_a на обратную. Обратная ветвь характеристики, как было сказано, соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики диода (участок 4 на рис. 1.51). При обратном напряжении, равном напряжению пробоя и_об_Рп_Роб происходит лавинный пробой тиристора (участок 5).