9

ЛЕКЦИЯ 9. ТИРИСТОРЫ

1. Полупроводниковые четырехслойные диоды типа p-n-p-n

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Название тиристор произошло от термина тиратрон (газоразрядный прибор, широко использовавшийся в схемах автоматики и имеющий аналогичную вольтамперную характеристику) и термина транзистор.

Т иристор, имеющий два вывода, называют диодным тиристором или динистором, триодный тиристор или тринистор имеет дополнительно третий управляющий электрод. Изготавливаются тиристоры из кремния. В монокристалле кремния создаются четыре слоя с перемежающейся проводимостью p-n-p-n (рис. 1).

Тиристоры, выпускаемые на рабочее напряжение от десятков до сотен вольт и на токи от десятков миллиампер до нескольких ампер, относятся к группе маломощных приборов. Тиристоры, получившие название управляемые вентили, с рабочим напряжением более 1000 В и током свыше 100 А относятся к группе мощных приборов. Маломощные тиристоры применяются главным образом в релейных системах и маломощных коммутационных устройствах, а приборы, пропускающие большую мощность – в устройствах коммутации и управления промышленными и транспортными электроустановками.

2. Зонная диаграмма диодного тиристора

Структурная схема диодного тиристора приведена на рис. 2,а. Примерные значения концентраций носителей в четырех его слоях: p₁ = 5х10¹⁷ см^–3, n₁ = 10¹⁵ см^–3, p₂ = 10¹⁷ см^–3, n₂ = 10¹⁹ см^–3.

Слои разделены тремя p-n переходами П₁, П₂ и П₃. Слой p₁ выполняет в динисторе функции анода А, а слой n₂ – функции катода К. Они создаются путем диффузии в исходный монокристалл кремния n-проводимости (имеющий толщину порядка 250 мкм) сначала акцепторной примеси (алюминий, бор), образующей слои p₁ и p₂ (толщиной порядка 50 мкм), а затем донорной примеси (фосфор), образующей наружный слой n₂ (толщиной порядка 10 мкм). Остаточная толщина слоя n₁ исходного монокристалла равна примерно 150 мкм.

При подаче на анод положительного напряжения крайние p-n-переходы (П₁ и П₃) смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний p-n-переход (П₂) смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (p₁ и n₂ – эмиттеры) и две базовые области (n₁ и p₂ – базы).

Зонная диаграмма динистора в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2,б. На рисунке показаны уровни энергии: W_c – дна зоны проводимости, W_F – уровень Ферми и W_v – верха валентной зоны. Стрелками показаны направления электрических полей E_э1, E_к, и E_э2 в переходах П₁, П₂ и П₃. Условно показаны концентрации электронов и дырок во всех четырех областях динистора. В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: и электронные и дырочные компоненты тока через каждый из трех p-n-переходов равны нулю и общий ток также равен нулю.

Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе при подаче на него прямого напряжения, т. е. при положительном потенциале на аноде (рис. 2,в). В этом случае через динистор текут небольшие токи, на переходах возникают падения напряжения и создаютс я электрические поля E_пэ1, E_пк, и E_пэ2. Крайние эмиттерные переходы П₁ и П₃ открываются, а коллекторный переход П₂ закрывается. Большая часть внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении. Поэтому первый участок ОА прямой ветви ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода (рис. 3). С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах (рис. 2,в). Электроны, инжектированные из n₂-эмиттера в p₂-базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в n₁-базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n₁-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера левого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из p₁-эмиттера в n₁-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем

коллекторного перехода и попадают в p₂-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода. Следовательно, в p₂-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n₂-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление неравновесных носителей в базовых областях создает дополнительную разность потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении (на рис. 2,в поле E_откр направлено навстречу полям E_к и E_пк). Поэтому с увеличением тока через тиристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении.

Зонная диаграмма динистора в открытом состоянии приведена на рис. 2, г. Здесь все три p-n-перехода открыты, внешнее напряжение падает в основном на высокоомных базовых областях n₁ и p₂, в которых сосредоточено поле Е_п, а уровни энергии W_c, W_F и W_v наклонены, и через динистор текут большие сквозные токи.

Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом.

Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения А (рис. 3). Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал.

Открытое состояние тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви В–С. Участок А–В является переходным и соответствует неустойчивому состоянию тиристора.

В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах n₁ и p₂, необходимый для смещения коллекторного перехода П₂ в прямом направлении (рис. 2,г). Если же ток тиристора уменьшить до некоторого значения, меньшего тока выключения I_выкл, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшается количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на выпрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние.