Тиристоры. Четырехслойные (в отличие от трехслойного биполярного транзистора) структуры называют динистрами (рисунок 1.54)

Четырехслойные (в отличие от трехслойного биполярного транзистора) структуры называют динистрами (рисунок 1.54).

а) б) в)

Рисунок 1.54 – Структура динистора а); условное изображение б); характеристика в)

Характеристика S-типа (рисунок 1.54, в) содержит участок а-б отрицательного сопротивления (глубокой внутренней положительной обратной связи). Точка а – ток выключения, точка б – напряжение включения, U_доп – допустимое обратное напряжение. В определенной степени динистор подобен тиратрону, поэтому получил название неуправляемый тиристор (tiristor). Если внутренние слои n или p имеют выводы, то прибор называется тиристор (тринистор) (рисунок 1.55)

Типовая характеристика тиристора изображена на рисунке 1.56.

Она подобна характеристике динистора, также есть участок глубокой положительной обратной связи а-б, рабочий участок (выше точки а), где тиристор открыт, участки закрытого состояния 0-б и 0-1. У динистора порог б не регулируется, для тиристора этот порог зависит от величины тока управляющего электрода, который иногда называют током спрямления потому, что он спрямляет порог точки б, как показано штриховыми линиями. Если ток нагрузки в цепи тиристора по вертикальной оси достигает уровня точки а и ниже, то тиристор самопроизвольно закрывается.

а) б) в)

г) д)

Рисунок 1.55 – Тиристор а); тот же тиристор, но в виде двух трёхслойных структур б); тиристор на двух транзисторах n-p-n и p-n-p в); условное изображение тиристора г),д)

Рисунок 1.56 – Типовая характеристика тиристора

Для того, чтобы сделать ток тиристора меньше уровня I_выкл достаточно выключить напряжение питания, ток станет нулевым, тиристор закроется. Есть и другие способы, как сделать под напряжением ток тиристора меньше тока выключения. Например, установить разрядный конденсатор и образовать кратковременный импульс тока обратного направления, тогда общая величина прямого и обратного разрядного тока тиристора станет меньше тока выключения и он закроется. Из схемы рисунка 1.55, в) видно, что если управляющие токи электродов 1 и 2 нулевые, оба транзистора закрыты, общий последовательный ток равен почти нулю. Если подать управляющий ток I_у1 или I_у2, то VT1 или VT2 будут открыты, например, VT1, силовой ток потечет по цепи +источник питания …. открытый VT1 …. база-эмиттер VT2 в прямом направлении ….минус источника питания. Образуется основной ток: эмиттер-коллектор VT1 …. коллектор-эмиттер VT2 в прямом направлении …. минус источника питания. Чтобы закрыть VT1 по цепи управляющего электрода, необходимо образовать ток, обратный I_у1, по крайней мере равный силовому току в прямом направлении, это трудно. Поэтому первые тиристоры были неполностью управляемыми, они только открывались по управляющему электроду, закрывались уровнем тока, меньшим I_выкл. Впоследствии разработаны тиристоры, их называют двухоперационными, то есть открывающимися и закрывающимися по управляющему электроду (в отличие от однооперационных, только открывающиеся по управляющему электроду). Причем, запирание по управляющему электроду производится как посредством p-n-перехода, так и полевым, оптическим запиранием. Например, приборы, называемые МСТ (MOS Controlled Thuristor) (MOS – metal – oxide – semiconductor – металл, изоляция, полупроводник) (controlled - управляемый) отпираются и запираются полем при очень высоких плотностях тока (>2000 А/см²) - рисунок 1.57.

Рисунок 1.57 – Двухоперационный силовой тиристор

Тиристор состоит из управляющих полевых транзисторов VT1 и VT4 с каналами p-типа и двух как бы биполярных транзисторов VT2 и VT3. Вначале тиристор закрыт, т.е. все транзисторы закрыты. При подаче минус импульса на затвор VT4 относительно плюса источника питания он открывается, образуется цепь: + источника питания …. открывшийся VT4 …. переход база-эмиттер VT3 …. минус источника питания. VT3 открывается, образуется цепь: + источника питания …. переход эмиттер-база VT2 в прямом направлении …. открытый VT3 …. минус источника питании. Транзистор VT2 открывается …. образуется основная цепь: плюс источника питания …. открывшийся VT2 …. открытый VT3 …. минус источника питания: тиристор открыт. При закрывании подается импульс минуса на затвор VT1, он открывается, шунтирует переход эмиттер-база VT2, последний закрывается; после снятия импульса с VT1 он закрывается, следовательно, закрывается и VT3, тиристор закрыт.

Другой тип тиристора GTO (Gate Turn-Off Thuristor), ток до 2500 ампер и 4500 вольт, по напряжению.

Симисторы – симметричные тиристоры (триаки – в зарубежной литературе), структура, условное изображение, характеристика приведены на рисунке 1.58.

Содержит пять слоев полупроводника с различным типом проводимости, эквивалент двух, встречно-параллельно включенных тиристоров.

В сравнении с транзисторами тиристоры относятся к низкочастотным приборам, но обладают на порядок большими перегрузочными свойствами и имеют высоковольтные характеристики. Используются в ключевых режимах силовой электроники (ток до нескольких килоампер, напряжение до нескольких киловольт и более).

а) б) в)

Рисунок 1.58 – Симистор (триак); структура а); условное изображение б); характеристики в)