Устройство и принцип действия тиристора

Глава 5. ТИРИСТОРЫ

Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p-n -перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Существует несколько типов тиристоров: динистор, однооперационный тиристор, двухоперационный тиристор, симистор, фототиристор.

Рис.38. Структура одноопера-ционного тиристора

Кремниевый управляемый выпрямитель - однооперационный тиристор, представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру. Кристалл формируется диффузионным методом на базе пластинки кремния. Околокатодный слой образуется методом сплавления. Полученная таким образом “таблетка” закрепляется между молибде-

а) б)

Рис. 39. Однооперационный тиристор

новыми выводами анода и катода.

К верхнему слою приварен управляющий электрод. Полученный таким образом узел помещается в капсулу, используемую для охлаждения и защиты кристалла от механических воздействий (Рис.39).

У большинства приборов капсула имеет винтовую нарезку со стороны анода, катод выполнен в виде гибкого вывода. Мощные тиристоры выполняются в “таблеточном” исполнении, т.е. в виде плоского круглого устройства, у которого обе поверхности являются контактными (Рис.39,б). Маломощные тиристоры выпускаются в корпусах, аналогичных транзисторным.

Работу тиристора обычно рассматривают на модели двух транзисторов (Рис. 41). Четырехслойная структура образует три p-n -перехода. П1 и П3 называются эмиттерными, П2 - коллекторным. Области p 1 и n 2 - эмиттеры, p 2 и n 1 - базы.

Начнем с обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Рис.40. Составляющие токов в тиристоре.

Обратная ветвь. Внешнее напряжение приложено минусом к аноду. На рисунке 40 это соответствует полярностям без скобок. Переход П2 смещен в прямом направлении, П1 и П3 - в обратном. П2 открыт и напряжение на нем мало. Поэтому обратное напряжение распределяется между переходами П1 и П3. Концентрация примеси в слоях p 2 и n 2 больше по сравнению со слоями p 1 и n 1. Переход П3 узкий. При обратном смещении он пробивается, поэтому все напряжение приложено к переходу П1 и обратная ветвь вольт-амперной характеристики аналогична обратной ветви единичного p-n перехода. Поэтому справедливо все, что было сказано об обратной ветви вольт-амперной характеристики диода.

Прямое смещение. Внешнее напряжение приложено плюсом к аноду, приняты полярности в скобках. Переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, П2 - в обратном. Внешнее напряжение приложено к переходу П2. Эмиттеры p 1 и n 2 инжектируют неосновные носители заряда в область базы. Оба транзистора работают в режиме усилителя. Рассмотрим случай, когда ток управления равен нулю.

Рис. 41. Эквивалентная схема замещения

В результате диффузии неосновные носители достигают коллекторный переход П2 и затягиваются в область коллектора. Часть носителей рекомбинирует в базовых областях с основными носителями. Обычно в транзисторах рекомбинационный ток основных носителей поступает от внешнего источника через базовый электрод. В рассматриваемом случае рекомбинационный ток в каждой из баз образуется из обратного тока коллекторного перехода и тока проти-

воположного эмиттера. Обратный ток коллекторного перехода определяется из уравнения вольтамперной характеристики p-n перехода

(5.1)

Выражение для вольт-амперной характеристики неуправляемого тиристора получим в виде

(5.2)

где a₁ и a₂ - статические коэффициенты передачи тока условных транзисторов; U _к = U - U _э1 - U _э2; U _э1 и U _э2 - падение напряжения на эмиттерах p-n-p и n-p-n условных транзисторов; U - напряжение на тиристоре; I _а – общий ток через тиристор.

Токи эквивалентного транзистора Т1 обусловлены движением дырок через базу n 1. Составляющая (1 - a₁) I _э1 - ток базы Т1, а a₁ I _э1 - ток коллектора Т1. В эквивалентном транзисторе Т2 ток переносится электронами (на рисунке 40 показано пунктиром). Составляющая (1 - a₂) I _э2 - ток базы Т2, а a₂ I _э2 - ток коллектора. Через смещенный в обратном направлении переход П2 течет ток неосновных носителей. Ток I _кр образован дырками n 1 -области, I _кn - образован электронами p 2 -области. Они образуют суммарный ток I _к.

Рис.42. Зависимость коэффициентов a1 и a2 от тока тиристора

Коэффициенты a1 и a2 зависят от тока (рис. 42). Коэффициент a2 больше a1, т.к. база p 2 тоньше базы n 1 (это получено при изготовлении). На начальном участке вольт-амперной характеристики (Рис.43, участок 0 - б) U aмало, I a мал. a1 и a2 близки к 0. Величины a1 I э1 и a2 I э2также близки к 0. Используя приведенные выше уравнения, можно показать, что при (a1 + a2) < 1, U K < 0,т.е. коллекторный переход

смещен в обратном направлении.

Рис. 43. Вольтамперная характе- ристика тиристора

В этом случае величина рекомбинационных токов неосновных носителей в базе превышает величину тока основных носителей, поступивших от противоположного эмиттера. Ток через П2 и тиристор определяется тепловым током I к. Значит, началь-ный участок вольтампернойхарактеристики тиристора анало-гичен обратной ветви вольт- ампер-

ной характеристики перехода П2. По мере роста напряжения U _a растет ток I _к (растет поверхностный ток утечки и умножаются носители заряда). Растут a₁ и a₂ (Рис.43, участок б - в).

В соответствии с рис. 41 можно записать

I _П2 = I _к1 + I _к2 + I _кб0 = a₁ I _э1 + a₂ I _э2 + I _кб0

Поскольку I _у = 0, I _а = I _П2 = I _э1 = I _э2, получим:

I _П2 = a₁ I _э1 + a₂ I _э2 + I _кб0 = I _а

Исходя из этого,

= (5.4)

Рост тока при увеличении прямого напряжения приводит к увеличению a₁ и a₂. Пока (a₁ + a₂) 1, коллекторные токи I _к1 и I _к2 невелики, мал. Рост a₁ и a₂ приводит к увеличению этих токов.Поскольку они являются базовыми токами,их ростприводит к увеличению инжекции носителей эмиттерами p₁ и n₂, что в свою очередь приводит к росту эмиттерных, а значит и коллекторных токов. Рост составляющих a₁ I _э1, и a₂ I _э2 приводит к росту концентраций носителейвбазах n ₁ и p ₂. Снижается потенциальный барьер перехода П2. Одновременно снижаются потенциальные барьеры переходов П1 и П3, чтоприводит к дополнительной инжекции. Коэффициенты a₁ и a₂ еще более растут. Базы заполняются носителями зарядов. Это ведет к лавинному развитию процесса отпирания тиристора.

Точка в - граничная, в ней напряжение на тиристоре достигает значения напряжения переключения.

При (a₁ + a₂) 1 обатранзистора переходят в режим насыщения и достигает максимальной величины.

Участок г-д (Рис.43) - открытое состояние тиристора. В точке г напряжение на переходе П2 равно нулю. При этом I _к = 0, (a₁ + a₂) = 1

I _П2 = a₁ I _э1, + a₂ I _э2. (5.5)

Напряжение на тиристоре равно сумме напряжений на переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении. Переход П2 из-за наличия избыточных зарядов - дырок, в базе p ₂ и электронов в базе n ₁, переводится в проводящее состояние, обеспечивая инжекцию носителей. Ток I _к меняет направление. Таким образом, на участке г-д все три перехода П1, П2, П3 смещены в прямом направлении. При (a₁ + a₂) > 1, напряжение U _k > 0. Коллекторный переход смещен в прямом направлении. Рекомбинационный ток неосновных носителей в базе меньше тока основных носителей, инжектированных противоположными эмиттерами. Это соответствует началу участка отрицательного сопротивления. При этом ток через тиристор начинает резко возрастать при небольшом росте напряжения. Недостающую величину неосновных носителей инжектирует коллекторный переход. Это соответствует открытому состоянию тиристора. Поскольку все p-n переходы смещены в прямом направлении, в базах повышается концентрация носителей заряда. Сопротивление тиристора становится малым.

При наличии I_у 0 увеличивается базовый ток второго транзистора, что вызывает рост I _э2, а значит и I _к2 = a₁ I _э1. Процесс насыщения транзисторов происходит при более низком напряжении.

При I _у > 0, I _П2 = I _э1 = I _а, I _э2 = I _а + I _у,

(5.6)

При этом дополнительно растет a₂. Наличие a₂ I _у и быстрый рост a₂ приводят к открытию тиристора при более низком напряжении на аноде.

При больших токах I _у участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви характеристики исчезает. Вольтамперная характеристика тиристора приближается к вольтамперной характеристике p-n перехода.

Сущность отпирания управляющим током состоит в том, что при подаче прямого напряжения тиристор закрыт, через него протекает малый ток. В требуемый момент времени подается импульс E _у задающий необходимый импульс тока I _у. Он больше тока спрямления, поэтому рабочая точка переходит на ветвь г - д:

(5.7)

Для того, чтобы тиристор перешел в закрытое состояние, необходимо уменьшить его анодный ток до величины, меньшей тока удержания. Это можно сделать за счет изменения полярности анодного напряжения.