Короткі теоретичні відомості

Тиристор – це напівпровідниковий прилад з трьома або більше p-n-переходами (рис. 7.1), ВАХ якого має ділянку з негативним диференціальним опором і який використовується для перемикання.

 

Рис. 7.1 – Структура тиристора

 

З точки зору застосування, тиристори – це напівпровідниковий ключ, тобто прилад, основне призначення якого полягає в замиканні і розмиканні кола навантаження за допомогою зовнішніх сигналів.

Тиристор має два статичних стани – закритий, або стан низької провідності, і відкритий, або стан високої провідності. Перехід з одного стану в інший відбувається відносно швидко під впливом короткочасного зовнішнього сигналу.

Тиристори класифікують за такими ознаками: за кількістю виводів, по виду вихідної ВАХ, за способами вимикання й управління і за іншими ознаками.

За кількістю виводів розрізняють:

- діодні тиристори (динистори), що мають тільки два виводи - (анод і катод) (рис. 7.2, а);

- тріодні тиристори (тринистори), що мають три виводи (два основних і один керуючий) - анод, катод і керуючий електрод (рис. 7.2, б-д);

- чотирьохелектродні (тетродні) тиристори, що мають чотири виводи (два вхідних і два вихідних) (рис. 7.2, ж), і т.д.

За видом вихідної ВАХ розрізняють:

- тиристори, що не проводять у зворотному напрямку (рис. 7.2, а-в);

- тиристори, які проводять у зворотному напрямку (тиристори зі зворотною провідністю, або тиристори-діоди) (рис. 7.2, д);

- симетричні (двопровідні тиристори, симистори або триаки), які можуть перемикатися у відкритий стан в обох напрямках (рис. 7.2, г).

За способом вимикання тиристори підрозділяються на незапірні (вимикання забезпечується тільки за вихідним анодним колом) і запірні (вимикання можливо за вхідним керуючим колом).

 

Рис. 3.2. Позначення тиристорів: а - динистор; б - тиристор; в - запірний тиристор; г - симистор; д - тиристор-діод (тиристор із зворотною провідністю); е - фототиристор; ж - тиристорна оптопара

 

За способом управління розрізняють тиристори, фототиристори і оптотиристори. Перші керуються (вимикаються) зовнішнім електричним сигналом по керуючому електроду. Фототиристор керується зовнішнім оптичним сигналом, оптотиристор – внутрішнім оптичним сигналом (випромінювач і фототиристор складають в оптотиристорі єдину конструкцію).

 

Параметри тиристорів. Основними параметрами тиристорів є:

· напруга включення U_вкл – напруга на тиристорі в прямому напрямку, при якому він переходить із закритого стану у відкрите при нульовому струмі управління;

· струм включення I_вкл – струм через тиристор, при якому тиристор переходить в увімкнений стан при нульовому струмі управління;

· струм утримання – мінімальний струм через тиристор, необхідний для підтримання його у відкритому стані;

· напруга у відкритому стані тиристора – напруга на тиристорі у відкритому стані при заданому струмі;

· струм у закритому стані – струм через тиристор при заданій напрузі в закритому стані;

· відкриваючий струм керуючого електрода – мінімальне значення постійного струму керуючого електрода, яке забезпечує включення тиристора при заданій анодній напрузі;

· час включення t_вкл – час, протягом якого тиристор переходить з закритого стану у відкрите (інтервал часу з моменту подачі відкриваючого імпульсу до моменту, коли струм через тиристор збільшується до 90% його значення у відкритому стані);

· час вимкнення t_викл – час, протягом якого тиристор переходить з увімкненого стану в вимкнений (інтервал часу з моменту спаду анодного струму до нуля до моменту, коли тиристор здатний витримати, не відкриваючись, дію імпульсу анодного струму із заданою швидкістю росту).

Динистори. Двоелектродний тиристор складається з чотирьох шарів кристалу напівпровідника з типом електропровідності, що чергується. Зовнішня напруга (пряма) на такий прилад подається мінусом на крайню область з електропровідністю n-типу (на катодний електрод) і плюсом на крайню область з електропровідністю p-типу (на анодний електрод). У цьому випадку крайні p-n-переходи включені в прямому напрямку, тому їх називають емітерними; середній p-n-перехід включений в зворотному напрямку, тому його називають колекторним. Відповідно в такому приладі існують дві емітерні області (n- і p-емітери) і дві базові (p- і n-бази).

Велика частина зовнішньої напруги падає на колекторному переході, тому початкова ділянка вольт-амперної характеристики тиристора аналогічна зворотній гілці вольт-амперної характеристики діода.

Зі збільшенням анодної напруги, прикладеної до тиристора між анодом і катодом, збільшується пряма напруга і на емітерний переходах. Електрони, інжектовані з n-емітера в p-базу, дифундують до p-n-переходу колектора, проходять колекторний перехід і потрапляють в n-базу. Подальшому проходженню електронів по тиристорній структурі перешкоджає невеликий потенційний бар'єр правого емітерний переходу. Тому частина електронів, опинившись у потенційній ямі n-бази, утворює надлишковий негативний заряд, який, знижуючи висоту потенційного бар'єру правого емітерний переходу, викликає збільшення інжекції дірок з p-емітера в n-базу. Інжектовані дірки дифундують до p-n-переходу колектора, проходять через цей перехід і потрапляють в p-базу. Їх подальшому просуванню по тиристорній структурі перешкоджає невеликий потенційний бар'єр лівого емітерний переходу. Отже, в p-базі відбувається накопичення надлишкового позитивного заряду, що зумовлює збільшення інжекції електронів з n-емітера. У результаті накопичення надлишкового позитивного заряду в p-базі та негативного в n-базі при напрузі на тиристори U_вкл (напрузі увімкнення) відбувається різке збільшення струму, що проходить через тиристор, та одночасне зменшення падіння напруги на тиристорі. Друга ділянка вольт-амперної характеристики тиристора аналогічна прямій гілці вольт-амперної характеристики p-n-переходу. У режимі, відповідному другій ділянці, напруга на колекторному переході виявляється прямою через великий заряд, накопичений у базах.

ВАХ динистора показана на рис. 7.3.

 

Рис. 7.3 – ВАХ динистора

 

На цій характеристиці можна виділити кілька характерних ділянок:

· Між точками 0 і 1 знаходиться ділянка, відповідний високому опору приладу - пряме замикання.

· У точці 1 відбувається включення тиристора.

· Між точками 1 і 2 знаходиться ділянка з негативним диференційним опором.

· Ділянка між точками 2 і 3 відповідає відкритому стану (пряма провідність).

· У точці 2 через прилад протікає мінімальний тримаючий струм.

· Ділянка між 0 і 4 описує режим зворотного запирання приладу.

· Ділянка між 4 і 5 - режим зворотного пробою.

Тиристор може знаходитися в двох станах: вимкненому, чи закритому, який характеризується великим падінням напруги на тиристорі та проходженням малих струмів через нього, тобто великим опором, і увімкненому, або відкритому, яке характеризується малим падінням напруги на тиристорі та проходженням великих струмів через нього, тобто малим опором.

У відкритому стані тиристор знаходиться до тих пір, поки за рахунок струму, що проходить підтримується кількість надлишкових зарядів у базах, необхідна для зниження висоти потенційного бар'єру колекторного переходу до величини, що відповідає його прямому включенню. Якщо ж струм через тиристор зменшити до деякої величини (I_вимк), то в результаті рекомбінації і розсмоктування кількість надлишкових зарядів в базах зменшиться, p-n-перехід колектора виявиться включеним у зворотному напрямку, відбудеться перерозподіл падінь напруги на p-n-переходах тиристорної структури, зменшиться інжекція з емітера і тиристор перейде в закритий стан.

Тринистор. Тринистор відрізняється від динистора наявністю третього виводу від базової області. Це дозволяє шляхом подачі на нього напруги керувати напругою увімкнення. Тому тринистори на відміну від динисторов іноді називають керованими перемикачами.

Керуючий електрод може бути підведений до будь-якої з баз тринистора. При подачі на керуючий електрод напруги такої полярності, щоб прилеглий до цієї бази емітерний перехід був включений в прямому напрямку, можна збільшити інжекції з n-емітера, що призведе до накопичення надлишкових зарядів в базових областях тиристора і переключення його в відкритий стан при анодній напрузі на тиристорі, меншій напруги включення U_вкл (рис. 7.4, в). Іншими словами, при подачі на керуючий електрод напруги можна змінювати струм емітера і, отже, регулювати значення коефіцієнта передачі струму емітера однієї з транзисторних структур, що обумовить збільшення сумарного коефіцієнта передачі всієї тиристорної структури і переключення її у відкритий стан.

Очевидно, що зі зростанням струму керування анодна напруга, необхідна для перемикання тиристора у відкритий стан, знижується (рис. 7.4, в). Для зручності керування тиристором керуючий електрод роблять у більш тонкої бази, так як коефіцієнтом передачі струму емітера такою транзисторною структурою легше керувати, ніж коефіцієнтом передачі транзистора з товстою базою.

Керуючий контакт можна зробити не тільки невипрямним, але і з додатковим p-n-переходом (рис. 7.4, б). При певній полярності напруги на керуючому електроді через додатковий перехід буде відбуватися інжекція неосновних носіїв заряду та їх накопичення у відповідній базі, що також призведе до перемикання тиристора у відкритий стан.

 

Рис. 7.4 – Структури трьохелектродних тиристорів з невипрямляючим контактом між керуючим електродом і базою (а), з додатковим p-n-переходом під керуючим електродом (б) і вольт-амперні характеристики трьохелектродного тиристора при різних струмах (IУ> IУ> 0) через керуючий електрод (в)

 

З розглянутих тиристорів тринистори отримали найбільше практичне застосування. Вони використовуються в імпульсних схемах, зв'язку, радіолокації, автоматиці, в потужних випрямлячах і інверторах, в пристроях управління електродвигунами і т. д.