2.4. Тиристори

Тиристором називається напівпровідниковий прилад багатошарової структури із трьома і більше n-p переходами, який може перемикатись із закритого стану у відкритий і навпаки. За устроєм і принципом дії поділяються на діністори, триністори і симістори. Спільною ознакою для всіх тиристорів є нелінійна вольт-амперна характеристика із ділянкою від’ємного опору.

Діністор (інші назви: діодний тиристор, діод-тиристор, некерований перемикаючий діод, діод Шоклі) має виводи від двох крайніх областей. Структура n-p-n-p діністора показана на рис. 2.34-а, а його еквівалентна схема – на рис. 2.34-б.

                 а) б)

Рис. 2.34.

В цій структурі крайні області називають p- і n-емітерами, а середні p- і n-базами. Крайні n-p переходи (П₁ і П₃) називаються емітерними, а середній – П₂ – колекторним. До емітерних областей приєднані електроди. Електрод, що забезпечує електричний зв’язок із p-емітером, називається анодом (А), а із n-емітером – катодом (К).

При виготовленні тиристора в слабколеговану кремнієву пластину із n-провідністю з обох боків методом дифузії вводять домішок (алюміній і бор), що утворюють шари р₁ і р₃ із високою концентрацією дірок (близько 10¹⁷ см^–3). Область n₂ має вихідну n-провідність із концентрацією носіїв заряду (електронів) близько 10¹⁵ см^–3. Тонкий шар n₄ створюється дифузією атомів фосфору у шар р₃ на глибину до 20 мкм із концентрацією електронів до 10¹⁹ см^–3. утворений кристал із структурою p-n-p-n–типу припаюється на кристалоутримувач і герметизується у металевому корпусі. Конструктивне оформлення тиристора не відрізняється від оформлення звичайного плаского діоду.

Схема включення діністора показана на рис. 2.34-а. При підключенні до діністора напруги (на аноді «+», а на катоді «–») емітерні переходи П₁ і П₃ зміщуються в прямому напрямку, тобто пропускають струм, а середній колекторний перехід П₂ – у зворотному. Розподіл напруг на переходах відповідатиме співвідношенням опорів цих ділянок. Високолеговані шари р₁, р₃, n₄ і відкриті переходи П₁ і П₃ матимуть малий опір (2–3 Ом), а слабколегований домішком шар n₂ і закритий перехід П₂ мають великий опір. Отже, практично вся прикладена напруга буде падати на переході П₂ і тому під її дією дірки із шару р₁ рухатимуться в шар n₂, а електрони – із шару n₄ в шар р₃.

Для спрощення аналізу роботи діністора його чотирьохшарову структуру доцільно уявити у вигляді еквівалентної схеми, що складається із двох біполярних транзисторів V1 і V2 типу p-n-p і n-p-n відповідно (рис. 2.34-б), включених за схемою із спільним емітером.

В цій схемі шар n₂ є одночасно і базою V1 і колектором V2, а шар р₃ – колектором V1 і базою V2. Перехід П₂ для обох транзисторів є спільним колекторним переходом. Отже, колекторний струм транзистора V1 одночасно є базовим струмом транзистора V2 (І_К1 = І_Б2), а колекторний струм транзистора V2 – базовим струмом транзистора V1 (І_Б1 = І_К2). Із урахуванням коефіцієнтів передачі струму емітерів α₁ і α₂¹, які залежать від напруги на колекторному переході – при збільшенні напруги емітерні струми і коефіцієнти α₁ і α₂ зростають, прямий струм через колекторний перехід П₂ визначається сумою

І_пр = І_К1 + І_К2 + І_К0 = α₁І_Е1 + α₂І_Е2 + І_К0,

де І_Е1 і І_Е2 – струми через емітерні переходи, а І_К0 – власний зворотний струм колекторного переходу. Оскільки переходи з’єднані послідовно, струми І_К1 = І_Е2 = І_пр, звідки .

Електричні процеси, що відбуваються у діністорі визначаються вольт-амперною характеристикою (ВАХ), що представлена на рис. 2.35. На горизонтальній вісі нанесені значення напруг між анодом і катодом діністора. Додатна піввісь відповідає прямій напрузі, від’ємна – зворотній. На вертикальній вісі нанесені значення струмів. Додатна піввісь відповідає прямому струму через прилад, від’ємна – зворотному.

При поступовому збільшенні прямої напруги U з’являється невеликий струм І_зкр, який при збільшенні напруги незначно зростає. Колекторний перехід закритий прикладеною напругою і діністор знаходиться у непровідному стані. Це відповідає ділянці I на ВАХ. При досягненні деякої напруги U_вкл, коли сума коефіцієнтів (α₁ + α₂)→1, а відповідно 1–(α₁ + α₂)→0, струм І_зкр різко зростає, опір переходу П₂ різко зменшується оскільки сильне електричне поле додає електронам значну енергію, при якій виникає лавинне розмноження носіїв заряду в шарі n₂ за рахунок ударної іонізації. Відбувається оборотний пробій закритого колекторного переходу (ділянка ІІ на ВАХ). Процес розвивається достатньо швидко і супроводжується зменшенням опору. Провідний стан колекторного переходу при прямому включенні діністора підтримується неперервною інжекцією основних носіїв зарядів, рух яких стимулюється зовнішньою напругою U < U_вкл. Ділянка кривої III на ВАХ називається ділянкою із від’ємним опором.

Стосовно двотранзисторної моделі діністора (рис. 2.34-б) ці ж процеси можна пояснити таким чином. При поступовому збільшенні напруги U зростає (хоч і незначно) струм І_Е1, збільшуючи базовий струм І_Б2 транзистора V2. В деякий момент базовий струм І_Б2 збільшує колекторний струм І_К2, який є базовим струмом І_Б1 транзистора V1, настільки, що викликає збільшення І_Е1 та І_Б2 і, як наслідок, збільшення І_К2 і І_Б1. Інакше кажучи, при певному значенні додатної по відношенню до катода напруги U – напрузі пробою діністора U_вкл – діністор відкривається (включається) і падіння напруги «анод – катод» різко зменшується майже до нуля (U_відкр). Щоб «вимкнути» діністор, тобто повернути його знову у закритий стан, необхідно знизити напругу «анод – катод» до нуля або подати від’ємну напругу «анод – катод».

Напругу, при якій відбувається включення діністора U_вкл, називають пусковою. У відкритому стані діністор знаходиться доки через нього проходить струм, не менший за струм утримування І_ут (ділянка ІV ВАХ – область малого додатного опору, що відповідає відкритому стану приладу). Верхня межа прямого струму обмежується опором навантаження R (для позначень на рис. 2.34 І_{відкр max} = U/R). Якщо він відсутній, струм може перевищити допустиме значення, відбудеться тепловий необоротний пробій n-p переходів.

Вимикання діністора відбувається також при зменшенні прямого струму до значення І < І_ут. В цьому випадку відбувається збіднення колекторного переходу носіями зарядів і зміщенням його в зворотному напрямку.

Якщо включити діністор у зворотному напрямку, тобто «–» джерела приєднати до аноду, «+» – до катоду, то n-p переходи П₁ і П₃ виявляються включеними у зворотному напрямку, а П₂ – у прямому. Прилад виявляється закритим і через нього проходитиме лише невеликий зворотний струм (ділянка V ВАХ – область високого опору).

При збільшенні напруги зворотного включення діністора можливий лавинний необоротний пробій закритих переходів П₁ і П₃ і пошкодження приладу (область VI ВАХ).

Отже, діністор може знаходитись в одному із двох стійких станів:

• Закритий – опір приладу великий і, відповідно, падіння напруги на ньому велике, а струм, що проходить через нього незначний;

• Відкритий – опір приладу незначний і, відповідно, падіння напруги на ньому незначне, а струм, що проходить через прилад, може бути значним.

Умовний значок для позначення діністора в електричних схемах: .

До основних параметрів діністорів можна віднести:

• Напруга включення U_вкл – основна¹ напруга, при якій струм через прилад почне різко зростати;

• Струм включення І_вкл – основний струм, що протікає через прилад при прикладенні до нього напруги включення;

• Утримуючий струм І_ут – мінімальний основний струм, який необхідний для підтримування діністора у відкритому стані;

• Напруга у відкритому стані U_відкр – основна напруга при певному струмі у відкритому стані діністора;

• Струм у закритому стані І_зкр – основний струм при певній напрузі у закритому стані;

• Зворотний струм І_зв – анодний струм при певній зворотній напрузі;

• Максимально допустимий постійний струм у відкритому стані І_{відкр max};

• Максимально допустима пряма постійна напруга у закритому стані;

• Максимально допустима постійна зворотна напруга U_{зв max}.

Крім того, важливими є такі параметри:

• Загальна ємність С_заг – ємність між анодом і катодом діністора при певній напрузі у закритому стані;

• Імпульсна невідкриваюча напруга – максимальне значення амплітуди імпульсу основної напруги із певною тривалістю переднього фронту, що не викликає перемикання діністора із закритого стану у відкритий;

• Імпульсна відкриваюча напруга – мінімальне значення амплітуди імпульсу основної напруги із певною тривалістю переднього фронту, що забезпечує перемикання діністора із закритого стану у відкритий;

• Час включення – інтервал часу між моментом початку імпульсу, що відповідає 0,1 його амплітуди, і моментом, коли основна напруга падає до 0,1 значення різниці напруг у закритому і відкритому стані діністора;

• Максимально допустимий імпульсний струм у відкритому стані;

• Максимально допустима середня потужність, що розсіюється на діністорі.

Діністори мають чітко виражені перемикаючі властивості, що дозволяють використовувати їх в схемах автоматики і обчислювальної техніки.

Перехід структури n-p-n-p із непровідного стану у провідний можна викликати не тільки збільшенням основної напруги, а і збільшенням струму в одному із еквівалентних транзисторів. Для цього від однієї із баз утворюють вивід, який називається керуючим електродом (КЕ).

Такий тиристор, що має виводи від двох крайніх областей і від однієї із внутрішньої (базової) області називається триністором (інші назви: тріодний тиристор, тріод-тиристор, керований перемикаючий діод). Керуючий електрод може бути від бази з боку аноду або від бази з боку катоду, що позначиться тільки на полярності керуючих напруг. Якщо КЕ приєднаний до р-області (триністор із катодним керуванням), то на нього подається від’ємна відносно катоду керуюча напруга, якщо до n-області (триністор із анодним керуванням) – полярність змінюється на протилежну. Зустрічаються триністори із двома КЕ (тетродні тиристори).

Змінюючи струм керуючого електроду можна регулювати напругу включення, а отже, керувати роботою приладу. Потужність керуючих сигналів значно менша потужності прямого струму. Отже, триністор має підсилювальні властивості.

а) б) в)

Рис. 2.36.

Існують триністори що не закриваються і що закриваються. У триністорах що не закриваються КЕ використовуються тільки для відкриття, тобто перемикання триністора із непровідного стану у відкритий; у триністорах що закриваються завдяки КЕ можна і відкривати, і закривати прилад. Структури триністорів що не закриваються (а), що закриваються (б) і їх транзисторна модель (в). показані на рис 2.36.

Ефект керування пояснюється тим, що вхідний струм на КЕ збільшує один із емітерних струмів, тобто діє на зростання коефіцієнта передачі струму α₁ (або α₂), тому умова α₁ + α₂ ≥ 1 виконується вже при меншому значенні зовнішньої напруги.

В АХ триністора (рис. 2.37) являє собою сімейство кривих, кожна з яких відповідає певному струму через КЕ. Якщо КЕ відключений, тобто в його колі керуючий струм І_кер = 0, то триністор перемикається як діністор при зовнішній напрузі U_вкл (крива а на рис. 2.37). При збільшенні струму І_кер в керуючому колі напруга включення триністора зменшується. Можна підібрати таке значення керуючого струму, при якому триністор буде мати ВАХ звичайного діода (крива b на рис. 2.37).

Якщо зняти керуючу напругу, триністор залишатиметься у включеному стані, доки прямий струм буде не меншим за І_ут.

Напруга керуючого сигналу, достатня для включення триністора складає 15 В. Оскільки потужність керуючого сигналу незначна і не залежить від керованого прямого струму, коефіцієнт підсилення за потужністю для триністора складає К_Р ≈ 10⁴ 10⁷.

Як і у діністора робота триністора характеризується двома стійкими станами: закритий, при якому опір приладу великий і, відповідно, падіння напруги на ньому велике, а струм, що проходить через нього незначний; відкритий, при якому опір приладу незначний і, відповідно, падіння напруги на ньому незначне, а струм, що проходить через прилад, може бути значним.

В триністорах що закриваються переведення приладу у закритий стан здійснюється зниженням одного із коефіцієнтів (α₁ або α₂) до рівня, коли перестає виконуватись умова α₁ + α₂ ≥ 1. Для цього керуючий електрод зроблений розподіленим по всій площі між шаром р₃ і катодним шаром n₄, щоб пришвидшити розсмоктування носіїв електричним полем керуючого сигналу. При подачі на КЕ від’ємної напруги коефіцієнт передачі струму значно зменшується (α₁ + α₂ << 1), що спричиняє закриття триністора.

Триністори що закриваються, характеризуються більшим падінням напруги на приладі і більшим струмом відкриття. В колах постійного струму такі триністори забезпечують простішу схему вимикання (комутації). Час перемикання значно менший, оскільки завдяки великій активній площі КЕ перехід швидше звільняється від носіїв заряду.

Умовні значки для позначення триністорів в схемах:

– триністор із анодним керуванням (керуючий електрод – від бази з боку аноду);

– триністор із катодним керуванням (керуючий електрод – від бази з боку катоду);

– триністор що закриваються.

До параметрів триністорів, крім тих, що характеризують діністори, можна додати:

• Постійний відкриваючий струм керуючого електроду – мінімальне значення постійного струму керуючого електроду, яке забезпечує перемикання триністора із закритого стану у відкритий при певних режимах в колах основних¹ і керуючого електродів;

• Імпульсний відкриваючий струм керуючого електроду – мінімальне значення амплітуди імпульсу струму керуючого електроду, яке забезпечує перемикання триністора із закритого стану у відкритий при певних режимах в колах основних і керуючого електродів;

• Постійна відкриваюча напруга на керуючому електроді – напруга на керуючому електроді триністора, що відповідає постійному відкриваючому струму керуючого електроду;

• Імпульсна відкриваюча напруга на керуючому електроді – значення амплітуди імпульсу напруги на керуючому електроді триністора, що відповідає імпульсному відкриваючому струму керуючого електроду;

• Максимально допустима постійна зворотна напруга на керуючому електроді;

• Максимально допустимий постійний прямий струм керуючого електроду;

• Максимально допустима імпульсна потужність на керуючому електроді.

Необхідно відзначити, що параметри чотирьохшарових приладів можуть сильно змінюватись в інтервалі робочих температур.

С имістори (інші назви: симетричний тиристор, триак) – це група тиристорів багатошарової структури і симетричною відносно початку координат вольт-амперною характеристикою, тобто із ділянками від’ємного опору не тільки на прямій, а і на зворотній гілках. Отже, маючи двонаправлену провідність, симістор може бути закритим і відкритим при напрузі будь-якої полярності.

Один із варіантів структури симістора показаний на рис. 2.38. Основу симістора складає багатошарова p₁-n₁-n₂-p₂-n₃-n₄ структура, в якій електрод В1 перекриває перехід n₁-p₁, електрод В2 перекриває перехід n₂-p₃, КЕ – перехід n₂-p₄.

Я кщо до електроду В1 підвести «+» зовнішньої напруги, до електроду В2 – «–» і керуючому електроду (КЕ) надати від’ємний відносно В2 потенціал, то електрони області n₄ інжектуються через перехід П₄ і збагачують область р₂. Потенціальний бар’єр закритого переходу П₂ знижується, що зумовлює проходження прямого струму від електроду В1 до електроду В2.

При зміні полярності на електродах В1 і В2 від’ємний потенціал на КЕ забезпечує зміщення переходів П2 і П3 у прямому напрямку. Крім того, під дією електронів із області n₁ відкриється перехід П1. Все це забезпечує проходження зворотного струму від електроду В2 до електроду В1.

У випадку додатної відносно В2 полярності на КЕ (при «–» – на В1 і «+» – на В2) закритий перехід П2 відкриється внаслідок інжекції електронів із області n₃ і через прилад пройде струм.

Ці процеси відображає вольт-амперна характеристика симістора (рис. 2.39).

При відсутності струму через КЕ (І_кер = 0) симістор відкривається напругою будь-якої полярності, що перевищує напругу включення (|U| > U_вкл). При збільшенні струму І_кер в керуючому колі напруга включення симістора зменшується. Можна підібрати таке значення керуючого струму, при якому симістор буде мати вольт-амперну характеристику схеми із звичайних діодів, включених паралельно-зустрічно.

Умовний значок для позначення симістора – .

З огляду викладеного можна зазначити, що властивості тиристорів оцінюються багатьма ознаками, які складають групи параметрів за напругою, струмом, опором, групу часових параметрів, групу імпульсних параметрів. Кожному класу тиристорів властиві певні параметри. Спільними параметрами за напругою для більшості тиристорів є пряма і зворотна напруга, максимально допустима пряма і зворотна напруга, напруга на керуючому електроді та ін. До параметрів струмів відносяться прямий і зворотний номінальний і максимальний струми, струм включення, струм утримування та ін. До часових параметрів відносяться час включення тиристорів, час виключення, час встановлення струму, швидкість встановлення напруги та ін. Зокрема, інерційні властивості приладу оцінюються часом включення і часом виключення.

За цими параметрами тиристори класифікуються. Так наприклад, за потужністю тиристори поділяються на малопотужні (прямий струм до 0,3 А), середньої потужності (прямий струм до 10 А) і силові (прямий струм понад 10 А).

Конструктивні різновиди тиристорів малої і середньої потужності маркуються буквено-числовими шифрами із шести елементів.

Перший елемент – буква або цифра, що позначає вихідний напівпровідниковий матеріал. Наприклад, К або 2 – кремній.

Другий елемент позначає тип тиристора: Н – діністори, У – триністори і симістори.

Третій елемент характеризує тип і потужність тиристора:

– діністори малої потужності – 1, середньої потужності – 2;

– триністори що не закриваються малої потужності – 1, середньої потужності – 2, що закриваються малої потужності – 3, середньої потужності – 4;

– симістори малої потужності – 5, середньої потужності – 6.

Четвертий і п’ятий елемент позначають порядковий номер розробки від 01 до 99.

Шостий елемент (буквений) позначає різновид певної групи тиристорів, що відмінні одним або кількома параметрами, які не є класифікаційними.

Шифр триністорів великої потужності складається із букв і цифр.

Першим елементом є буква Т – триністор.

Після букви Т стоять букви: Л – тиристор із лавинною характеристикою, В – із водяним охолодженням, Х – прилад із зворотною полярністю, С – симістор та ін.

В залежності від значення імпульсної напруги що повторюється тиристори типів Т, ТВ, ТЛ і ТЛВ поділяються на класи.

Після типу і класу стоять цифри, що вказують максимально допустимий струм в амперах.

Приклади:

2Н102А – кремнієвий (2) діністор (Н), малої потужності (1), номер розробки 02, група А;

КУ214В – кремнієвий триністор що не закривається, середньої потужності, номер розробки 14, групи В;

ТВ2–1000–6–141 – триністор із водяним охолодженням, другого типу, на максимально допустимий струм 1000 А, значення імпульсної напруги що повторюється 600 В, довідникові дані: критична швидкість зростання прямої напруги 20 В/мкс, час виключення до 70 мкс і критична швидкість зростання прямого струму 20 А/мкс.