ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА

Цель работы: получение экспериментальных вольт-амперных характеристик тиристора и определение его основных электрических параметров.

5.1. Основные теоретические положения

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя или более электронно-дырочными переходами, предназначенный для переключения тока в электрической цепи. Структура тиристора и схема включения в электрическую цепь представлены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Тиристор и схема его включения

При трех электродах у тиристора он называется триодным или тринистором, а при двух электродах (без управляющего электрода) – диодным или динистором. Если к аноду тиристора подключить положительный полюс источника анодного напряжения U_А, а к катоду – отрицательный, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а средний переход П2 – в обратном. Такое включение тиристора называется прямым. Типичный вид прямой ветви ВАХ тиристора в динисторном включении (без подключения управляющего электрода, ключ S на рис. 5.1 разомкнут) представлен на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Вольт-амперная характеристика тиристора при I_У=0

Поскольку переход П2 смещен в обратном направлении, то участок 0-1 ВАХ тиристора соответствует обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода. Тиристор при этом обладает высоким сопротивлением, почти не проводит ток, т.е. находится в выключенном состоянии. Увеличение U_А усиливает инжекцию через П1 и П3 носителей заряда в области, примыкающие к П2, где они становятся неосновными. Эти заряды диффундируют к переходу П2 и в результате экстракции преодолевают его, частично накапливаясь в областях p1 (дырки) и n2 (электроны). Накопившиеся заряды дополнительно усиливают инжекцию через П1 и П3, вызывая дальнейшее накопление избыточных зарядов около перехода П2. Такое взаимоусиливающее влияние называется положительной обратной связью.

При некотором анодном напряжении переключения U_ПЕР (точка 1 на рис. 5.2) накопившиеся в областях p1 дырки и n2 электроны дополнительной разностью потенциалов настолько снижают потенциальный барьер перехода П2, что ток через него резко возрастает и тиристор переключается в проводящее состояние с низким сопротивлением (точка 2 на рис. 5.2). Участок 2-3 при увеличении тока I_А и участок 3-4 при уменьшении тока соответствуют прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода. Максимальный ток на участке 2-3 ограничивается анодным резистором R_А (рис. 5.1). При снижении тока до величины тока удержания I_УД тиристор переключается в закрытое состояние с высоким сопротивлением (точка 5 на рис. 5.2).

Поскольку численные значения токов и напряжений на разных участках ВАХ тиристора могут сильно различаться, их строят в разных масштабах на одном графике. На рис. 5.2 участок 0-1 соответствует верхней шкале напряжений (вольты) и левой шкале токов (миллиамперы или микроамперы), а участок 3-4 соответствует нижней шкале напряжений (милливольты) и правой шкале токов (амперы).

При смене полярности приложенного к тиристору напряжения его переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении. Такое включение называется обратным. Обратная ветвь ВАХ тиристора повторяет обратную ветвь ВАХ электронно-дырочного перехода и здесь не рассматривается.

При подключении к управляющему электроду (ключ S на рис. 5.1 замкнут) источника электроэнергии ток управляющего электрода I_У дополнительно инжектирует основные носители заряда в область p1, дополнительно смещается в прямом направлении переход П1, а вследствие положительной обратной связи – и переход П3. Чем больше ток управляющего электрода I_У, тем при меньшем анодном напряжении тиристор переключается в открытое состояние. При некотором токе управляющего электрода, который называется током спрямления I_УСПР, прямая ветвь ВАХ тиристора повторяет прямую ветвь ВАХ диода. Семейство ВАХ тиристора