Динистор с обратной проводимостью

Тема № 5 Тиристоры.

· 5.1. Общие сведения.

· 5.2. Структура.

· 5.3. Классификация.

· 5.4. Динистор.

· 5.5. Динистор с обратной проводимостью.

· 5.6. Диак.

· 5.7. Не запираемый тринистор с управление по аноду.

· 5.8. Запираемый тринистор с управление по катоду.

· 5.9. Триак.

· 5.10. Тетродный тиристор.

· 5.11. Условные обозначения.

· 5.12. Маркировка.

Общие сведения.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три и более р-п перехода. Его характеризуют два устойчивых состояния и он может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Эту особенность тиристора подчеркивает и его название «тира» - по гречески «дверь».

Назначение: Тиристоры применяют для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямительный), для преобразования постоянного тока в переменный (инверторы), для преобразования переменного тока в постоянный с изменением уровня напряжения на выходе (управляемые выпрямители), для изменения частоты переменного тока (частотные преобразователи), для изменения числа фаз переменного тока (фаза вращателей), в качестве коммутирующих элементов (электронные ключи), в качестве инверсно – выпрямительных устройств.

Структура.

Основой большинства тиристоров слу­жит четырехслойная структура типа р₁-п₁-р₂-п₂. Крайние области и переходы 1 и 3 структуры (рис. 1)на­зывают эмиттерными, центральный пе­реход 2 — коллекторным, а области п₁ и р₂ — базами. Толщина областей тири­стора различна, а концентрация приме­сей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от п -эмиттера именуют катодом, от р-эмиттера — анодом. Эти электроды, под­ключаемые к цепи нагрузки, называ­ют основными, а токи и напряжения в этих цепях — основными токами и напря­жениями тиристора.

Рис. 1. Структура тиристора.

Классификация.

Тиристоры классифицируют по числу внешних электродов и способу управле­ния переключением. В зависимости от числа электродов различают три основ­ные разновидности тиристоров:

диодный тиристор (динистор) имеет только два основных электрода — анод и катод, у его баз нет выводов;

триодный тиристор (тринистор), кро­ле анода и катода, имеет дополнитель­ный управляющий электрод — вывод от 'азы, к которому или от которого посту­пает ток управления;

тетродный тиристор — обе базы снабжены выводами, т. е. в приборе име­ется два управляющих электрода.

Включение и выключение динисторов осуществляют изменением значения и по­лярности основного напряжения, по­этому их относят к неуправляемым при­борам. Триодные и тетродные тиристоры могут переводиться из закрытого состоя­ния в открытое током управляющего электрода, поэтому их относят к управ­ляемым приборам.

Дальнейшее развитие тиристоров при­вело к разработке приборов с пятислойной структурой р-п-р-п-р-диодных и триодных симметричных тиристоров. Они способны переключаться как в прямом, так и в обратном направлении. Причем триодный симметричный тиристор вклю­чается в обоих направлениях при пода­че сигнала на его управляющий элек­трод.

Динистор.

Действие диодного тиристора (динистора) обусловлено фи­зическими процессами в р-п- переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного на­пряжения на анод (рис. 2) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 — в прямом. Происходит инжекция носителей через открытые пе­реходы — дырок из области p₁ в базу n₁, электронов — из п ₂ в р₂. Одновре­менно через открытые переходы инжек­тируются встречные потоки носителей — электронов из базы п ₂ в р₁ и дырок из базы р₂ в область п ₂. Однако концентра­ции основных носителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в ба­зах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пренебречь.

Рис. 2. Структура динистора.

Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через переход 2, вклю­ченный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собственный обратный ток, обу­словленный неосновными носителями в базах п₁ и р ₂. В результате ток коллек­торного перехода 2

I₂=A₁I₁+A₂I₃+I₀₂, (1)

где I ₁, I ₃—токи соответственно первого и третьего переходов; A ₁, A ₂ — коэффициенты передачи тока соответственно через n ₁-и р ₂-базы; I ₀₂ — собственный обратный ток пере­хода 2.

Электронная составляющая тока че­рез переход 2 A₂I₃ существенно больше дырочной составляющей A₁I₁.Это обу­словлено большей подвижностью элек­тронов по сравнению с дырками. Кроме того, база п₁ значительно шире базы р ₂ и вероятность рекомбинации в ней выше, поэтому коэффициент A₂>A₁.

Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анод­ному току: I _а= I₁=I₂=I₃.Тогда, используя формулу (1), получим:

I _а= I₀₂/[1-(A₁+A₂)]. (2)

Коэффициенты передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между р-п-переходами пропорционально их сопро­тивлениям. Так как сопротивления от­крытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого перехода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При не­больших напряжениях анода прямое сме­щение на переходах 1 и 3 невелико и токи I₁ и I₃ составляют несколько микроам­пер. При таких то­ках эмиттера коэффициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода невелико, сумма (А₁+А₂)<<1 и анодный ток определяется собственным обратным током коллекторного перехо­да I ₀₂.

С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на перехо­дах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области п ₂, переходят через переход 2 в базу п ₁ и создают там неравновесный от­рицательный заряд, снижающий ее по­тенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью р₁ в п ₁-базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в р ₂-базу, увеличивают ее положительный потенциал и соот­ветственно инжекцию электронов из об­ласти п ₂. Таким образом, в структуре динистора начинает действовать внутрен­няя положительная обратная связь, раз­вивается регенеративный процесс, кото­рый ведет к самопроизвольному увели­чению анодного тока.

При анодном напряжении, равном U _вкл, процесс регенерации усиливается, сумма A₁+A₂ приближается к едини­це и ток динистора резко возрастает. Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер пе­рехода 2, компенсируются динамически­ми неравновесными зарядами электро­нов и дырок в р₂-и п ₁-базах. В результа­те этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, начинается перераспределение напряжения источника Е _а.

Тиристор переходит в неустойчивый режим II, где он имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, а за­тем скачком — в режим III, соответ­ствующий устойчивому открытому со­стоянию динистора (рис. 3). В этом режиме падение напряжения на при­боре определяется суммой падений на­пряжений на трех p-n -переходах, сме­щенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом ре­жиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки I _а≈E_a/R_н.

Рис. 3. ВАХ динистора.

Динистор переходит из закрытого со­стояния в открытое, если приложенное к нему анодное напряжение превышает напряжение включения, т. е. при U_a≥U_вкл. При напряжении источника питания Е_а < U_вкл переключение мож­но осуществить подачей положительно­го импульса отпирающего напряжения U_от на анод динистора (рис. 4, а) или отрицательного — на катод (рис. 4, б). Суммарное напряжение между электро­дами должно удовлетворять условию (U_a+[U_от]) ≥U_вкл.

Перевод закрытого динистора в от­крытое состояние — обратимый про­цесс. При снижении тока динистора объ­емные заряды носителей в базах оказы­ваются недостаточными для компенса­ции потенциального барьера перехода 2, процесс развивается в обратной после­довательности и динистор переключается в закрытое состояние. Время выключе­ния определяется процессами рассасы­вания и рекомбинации подвижных носи­телей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.

При подаче отрицательного напряже­на анод эмиттерные переходы 1 и 3 оказываются включенными в обратном направлении, а переход 2 — в прямом. Ток прибора обусловлен процессами термогенерации и экстракции неоснов­ных носителей через переходы 1 и 3, значение тока очень мало. Вольт-ампер­ная характеристика динистора в этом ре­жиме аналогична характеристике двух соединенных последовательно полупро­водниковых диодов, включенных в об­ратном направлении.

Если обратное напряжение достигает U _проб, начинается лавинный пробой переходов 1 и 3, ток динистора резко возрастает. Этот режим недопустим для обычных приборов. Однако специальные динисторы, проводящие в обратном на­правлении, могут работать в режиме ла­винного пробоя аналогично стабилитро­нам.

Обычным диодным тиристорам при­сущи два недостатка. Они реализуют переключение тока нагрузки только в одном направлении, это ограничивает возможности их применения в регуля­торах переменного тока. Напряжение их включения неуправляемо. Первый недо­статок устранен в симметричных диод­ных тиристорах, второй — в триодных тиристорах.

Рис. 4. Схемы включения динистора сигналами положительной (а) и отрицательной (б) полярности.

Динистор с обратной проводимостью.

Динистор с обратной проводимостью имеет такую же структуру как и обычный динистор, но его обмотки имеют повышенную концентрацию примесей, за счет этого при обратном включении прибора создаётся участок, на котором изменение обратного тока происходит без изменения прямого напряжения.

Рис. 5. Структура динистора с обратной проводимостью.

Рис. 6. ВАХ динистора с обратной проводимостью.

Диак.

Этот прибор способен переклю­чаться как в прямом, так и в обратном направлениях. Он имеет симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику (рис. 8). Диак представляет собой пятислойную п-р-п-р-п -структуру с четырьмя р-п-переходами, причем области п₁ и р₁, п₃ и р ₂ соединены параллельно соответствен­но выводам анода и катода (рис. 7).

Рис. 7. Структура диака.

При подаче положительного напряже­ния на анод переходы 2 и 4 смещены в прямом направлении, а 3 — в обратном. Переход 1 шунтирован контактом анод­ного вывода. Если напряжение мало, через структуру проходит небольшой ток.

Основная его часть течет парал­лельно переходу 4, стремясь достичь вы­вода катода по пути с наименьшим со­противлением. При увеличении напря­жения переход 2 все более смещается в прямом направлении, возрастает также инжекция дырок из области р₁ в область п ₂. Дырки перемещаются вследствие диф­фузии по п ₂, экстрагируют через переход 3 в область р₂ и повышают ее потенциал относительно области п₃. Это вызывает инжекцию электронов из области п₃ в р₂ и их экстракцию через переход 3 в слой п ₂. В результате дальнейшего нараста­ния тока переход 3 смещается в прямом направлении, происходит включение структуры р ₁ -п ₂ -р ₂ -п ₃.

При противоположной полярности на­пряжения, приложенного между анодом и катодом, аналогично происходит вклю­чение структуры п₁-р₁-п₂-р₂.

Диодные тиристоры применяют в схе­мах импульсных ключей, генераторов импульсов, триггеров и двухпозиционных переключателей. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отри­цательным сопротивлением позволяет ис­пользовать динистор в схеме релаксаци­онного генератора.

Рис. 8. ВАХ диака.