Краткие теоретические сведения по тиристорам

Тиристорами называют полупроводниковые приборы, имеющие в своей структуре не менее трёх, последовательно включённых, взаимодействующих между собой, p-n переходов. Динисторными называют двухэлектродные полупроводниковые структуры, имеющие в своём составе не менее трёх, взаимодействующих между собой, p-n переходов. Тринисторными называют трёхэлектродные полупроводниковые структуры, имеющие в своём составе не менее трёх, взаимодействующих между собой, p-n переходов, причём один из этих переходов дополнительно управляется с помощью внешнего маломощного источника энергии. Если к структуре тиристора, представленной на рис. 1 приложить малое напряжение между анодом и катодом , и при этом анод должен быть подключен к положительному электроду источника питания, а катод – к отрицательному, то переходы и будут смещены в прямом направлении, а переход №2 – в обратном. Пусть на управляющий электрод CE напряжение не подается. Т.е. данный тиристор используется как динистор. При таком включении через переход №2 движутся носители заряда, которые были неосновными, в прилегающих к переходу областях баз и . Для обеспечения взаимодействия переходов необходимо, чтобы выполнялись два условия: 1) длина области должна быть меньше диффузионной

Рис. 1 Сечение структуры тринистора

длины дырок в области ; 2) длина области должна быть меньше диффузионной длины электронов в области . При росте положительного напряжения на аноде относительно катода происходит увеличение концентраций неосновных носителей заряда в областях и . Это имеет место из-за инжекции этих носителей через прямосмещенные переходы и . При этом уменьшается сопротивление перехода , что в свою очередь приводит к перераспределению падения напряжения – растёт падение напряжения на прямосмещённых переходах и , а это приводит к росту коэффициентов инжекции носителей заряда в области и . Работу динистора можно проанализировать, составив эквивалентную схему из двух взаимодополняющих транзисторов со структурами и . Эта схема представлена на рис. 2.

Рис. 2 Эквивалентная схема динистора

Т.к. ток прямосмещенного перехода очень резко (к тому же нелинейно) зависит от приложенного к нему напряжения, то процесс инжекции носителей заряда в области и идёт во времени по нарастающей, приобретая лавинный характер. Ток, идущий через структуру, резко возрастает. Напряжение между анодом и катодом, при котором становится возможным переход всей структуры тиристора в низкоомное состояние, носит название напряжения включения. «Включенное» состояние будет сохраняться неограниченно долго, пока напряжение на тиристоре не станет меньше напряжения выключения (или, как говорят по аналогии с функционированием реле – напряжения отпускания). В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока избыточный заряд, накопленный в базах и , позволяет переходу №2 находиться в состоянии обратимого пробоя (включённом положении). Если рассматривать эквивалентную структуру, представленную на рис. 2, то можно прийти к выводу, что ток анода может быть выражен через коэффициенты передачи токов для схемы включения транзисторов, составляющих тиристор, как для схемы с общей базой. При этом ток анода может быть найден как ток коллектора составного транзистора

,

где ток - обратный ток коллектора. При этом предполагают, что эта величина для транзистора типа равна такому же параметру и для входящего в эквивалентную схему транзистора типа. Так как через все переходы, при отсутствии управляющего электрода, течёт один и тот же ток, то .

Откуда

.

Для резкого возрастания тока через тиристор необходимо иметь сумму коэффициентов передачи пары транзисторов и , входящих в эквивалентную схему, близкую к единице. При малом напряжении между анодом и катодом тиристора суммарный коэффициент передачи

представляет собой небольшую величину, но при росте напряжения между анодом и катодом растёт, и на участке близком к напряжению включения этот коэффициент очень близок к единице. При снижении напряжения на аноде, после включения, этот коэффициент ограничивается ослаблением ударной ионизации и уменьшением коэффициента умножения носителей заряда. При отрицательном напряжении анода относительно катода (т.е. при обратном включении) эмиттерные переходы находятся при обратном смещении, а коллекторный переход находится под прямым смещением. Пробой тиристора может произойти в двух случаях: – если произойдёт пробой обратно смещенных эмиттерных переходов, или если произойдёт смыкание областей пространственного заряда, вследствие расширения этих областей под воздействием обратного напряжения. Напряжением включения тиристора можно управлять, если создать управляющий электрод (см. рис. 1) и на него подавать положительное напряжение относительно катода. При этом будет иметь место управляемая инжекция носителей заряда в область базы и, соответственно, управляемое напряжение пробоя перехода №2. Эквивалентная схема такого тиристора (тринистора) представлена на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема тринистора