5. Тиристоры

5.1 Основные определения

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

На основе этой структуры в зависимости от числа выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные называемые динисторами и триодные называемые тринисторами.

Классификация и условные графические обозначения тиристоров изображена в виде схемы на рисунке 44.

Диодные тиристоры два вывода от наружного слоя – анод; – катод. Триодные тиристоры кроме двух основных имеют третий вывод управляющего электрода УЭ, от одного из внутренних слоев или .

Исходным материалом служит кремний n – типа, в кристалле которого создается структура p – n – p – n .

Слои и имеют большую концентрацию примесей, а и особенно меньшую. Пластины кремния с готовой четырехслойной структурой припаивают к кристалодержателю. Контакты площадки создают металлизированием, а соединение их с внешними выводами осуществляется через вольфрамовые прокладки.

Рассмотрим принцип действия без влияния цепи управления т.е. как динистор. При таком рассмотрении его крайние слои называют эмиттерами, а средние базами. Таким образом переход является эмиттерным переходом VТ1, а переход является эмиттерным переходом транзистора VТ2, переход является общим переходом транзисторов с коллекторным переходом.

На эмиттерных переходах действует прямое напряжение, а на коллекторном обратное.

Ток в цепи тиристора при отсутствии тока в цепи управления – это ток, протекающий последовательно через все четыре слоя его структуры. Поэтому можно написать следующие равенства:

.

Рассмотрим, какие составляющие входят в ток через коллекторный переход. Для транзистора VТ1 ток через коллекторный переход ; где – коэффициент передачи тока эмиттера. Для транзистора VТ2 аналогично – . Кроме того, через коллекторный переход протекает суммарный обратный ток обоих транзисторов , обусловленный движением неосновных носителей заряда – дырок из слоя n1 в слой р2 и электронов из в .

Полный ток через коллекторный переход равен сумме этих трех составляющих:

.

Учитывая, что через переходы проходит один и тот же ток , можно записать:

откуда можно получить выражение для анодного тока цепи тиристора:

.

Величина и зависит от толщины базовых слоев и и от тока в цепи.

При малых значениях тока близки к нулю, поэтому малы составляющие анодного тока, а ток через тиристор обусловлен только обратным током перехода . В этом режиме тиристор остается закрытым: это соответствует участку–1.

С увеличением напряжения растет обратное напряжение на переходе и немного возрастает ток , и ток через тиристор . Рост тока вызывает увели чение коэффициентов и , что в свою очередь приводит к возрастанию составляющих и 2Iэ2 и более бы строму росту тока .

На рисунке 47 изображена ВАХ при ; А – точка переключения, 1– участок закрытого состояния, 2 – участок с отрицательным сопротивлением,3–участок открытого состояния.

Рисунок 47

В точке А мгновенно происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. Напряжение уменьшается, а ток возрастает, в точке А в момент переключения, называют соответственно напряжением переключения и током переключения .

Условие, необходимое для переключения тиристора, как следует из формулы для тока выражается равенством . В этот момент, когда , знаменатель обращается в нуль, а ток должен бесконечно возрасти, но он ограничивается сопротивлением нагрузки , в анодной цепи.

Обычно . До момента переключения , можно считать, что для каждого транзистора VT1 и VT2 . Это означает, что большая часть дырок из оседает в базе , а меньшая часть проходит коллекторный переход в коллектор . Аналогично в транзисторе VT2 большая часть электронов из эмиттера Э2 оседает в базе Б2, а меньшая проходит в коллектор .

Таким образом возрастает концентрация неосновных носителей в областях и , а напряжение остается обратным. Рост тока через тиристор, остающимся закрытым, происходит за счет увеличения .

С ростом тока и увеличением суммы все больше дырок из области через базу и переход переходит в область : одновременно увеличивается поток электронов из области через область и переход в область . Эти носители заряда скапливаясь по обе стороны от р – n перехода , создают электрическое поле направленное встречно полю, созданному обратным напряжением, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехода. В тот момент когда , потенциальный барьер полностью скомпенсирован, обратное напряжение в равно нулю, тиристор открывается. Одновременно с этим повышением концентрации избыточных основных носителей заряда в базах усиливается инжекция носителей заряда в базы из эмиттеров, что вызывает еще большее возрастание коэффициентов и и их суммы , а следовательно, еще более быстрый рост тока. Процесс носит лавинообразный характер.

В результате этих процессов переключение тиристора происходит мгновенно и неуправляемо, а напряжение на тиристоре падает, т.к. ни на одном из переходов нет обратного напряжения. Это участок 2 (рисунок 47).

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. С увеличением приложенного напряжения возрастает напряжение на p – n переходах и растет ток.

С уменьшением напряжения на тиристоре в открытом состоянии, ток тиристора уменьшается, а при определенном значении тока тиристор переходит в закрытое состояние. Наименьший ток в основной цепи, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии, называется током удержания тиристора .

Такой способ включения используют только в схемах с динисторами.