Тиристоры. Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-n-переходами (рис. 8.11,a).

Крайние области р₁ и п₂ называются анодом и катодом соответственно, с одной из средних областей р₂ или п₁ соединен управляющий электрод. П₁, П₂, П₃ – переходы между р- и п-областями. Источник Е внешнего питающего напряжения подключен к аноду положительным относительно катода полюсом. Если ток I_y через управляющий электрод триодного тиристора равен нулю, его работа не отличается от работы диодного. В отдельных случаях бывает удобно представить тиристор двухтранзисторной схемой замещения с использованием транзисторов с различным типом электропроводности – р-п-р и п-р-п (см. рис. 8.12, б). Как видно из рис. 8.12, переход П₂ является общим коллекторным переходом обоих транзисторов в схеме замещения, а переходы П₁ и П₃ – эмиттерными переходами.

Рассмотрим работу тиристора при I_y = 0. При подключении источника Е эмиттерные переходы П₁ и П₃ смещаются в прямом направлении, а коллекторный – П₂ – в обратном. Поскольку сопротивления открытых р-п-переходов незначительны, все напряжение источника практически приложено к закрытому переходу П₂. Ток тиристора в этом режиме весьма мал и напряжение на нагрузочном резисторе R практически равно нулю.

а б

Рис. 8.11. Структура тиристора (а) и двухтранзисторная схема замещения (б) триодного тиристора: 1, 2, 3 – выводы катода, управляющего электрода и анода соответственно

Рис. 8.12. Вольт-амперные характеристики и условное графическое обозначение

триодного тиристора

При повышении прямого напряжения U_пр (что достигается увеличением ЭДС источника питания Е)ток тиристора увеличивается незначительно до тех пор, пока напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению напряжения пробоя, равному напряжению включения U_вкл (рис. 8.12).

При дальнейшем повышении напряжения U_пр под влиянием нарастающего электрического поля в переходе П₂ происходит резкое увеличение количества носителей заряда, образовавшихся в результате ударной ионизации при столкновении носителей заряда с атомами. В результате ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя п₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и п₁ и насыщают их неосновными носителями заряда. Увеличение количества носителей заряда за счет действия внутренней положительной обратной связи носит лавинообразный характер, в результате чего электрическая проводимость р-n-перехода П₂ резко возрастает.

После включения тиристора напряжение на нем снижается до значения порядка 0,5–1 В. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ (рис. 8.12). Минимальный прямой ток, при котором тиристор остается во включенном состоянии, называется током удержания I_уд. При уменьшении прямого тока до значения I_пр< I_уд (нисходящая ветвь ВАХ на рис. 8.13) высокое сопротивление перехода восстанавливается и происходит выключение тиристора. Время восстановления сопротивления р-n-перехода обычно составляет 10–100 мкс.

Напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено дополнительным введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П₂. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в р-n-переходе П₂,в связи с чем напряжение включения U_вкл уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис. 8.12, вводятся в слой р₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается напряжение включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис. 8.12. Там же приведено условное графическое обозначение триодного тиристора.

Будучи переведенным в открытое (включенное) состояние, тиристор не выключается даже при уменьшении управляющего тока I_у до нуля. Выключить тиристор можно либо снижением внешнего напряжения до некоторого минимального значения, при котором ток становится меньше тока удержания, либо подачей в цепь управляющего электрода отрицательного импульса тока, значение которого, впрочем, соизмеримо со значением коммутируемого прямого тока I_пр.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления I_у.вкл – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Значение этого тока достигает нескольких сотен миллиампер.

Из рис. 8.12 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П₁ и П₃. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя перехода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр макс}.

В симметричных диодных и триодных тиристорах прямая и обратная ветви ВАХ совпадают по форме. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя р-n-переходами.

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 3000 А и напряжения включения до 6000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Основные недостатки тиристоров – неполная управляемость (тиристор не выключается после снятия сигнала управления) и относительно низкое быстродействие (десятки микросекунд).

Наряду с тиристорами в качестве переключающих элементов используются биполярные и полевые транзисторы, которые являются полностью управляемыми элементами.

Биполярный транзистор способен выдерживать большие токи при малом сопротивлении в режиме насыщения. К недостаткам его следует отнести невысокие значения допустимых обратных напряжений (менее 1000 В) и большие значения тока управления транзистора при насыщении.

Полевые МДП-транзисторы используют для переключения токов до 100 А при напряжении до 500 В. МДП-транзисторы управляются напряжением, подаваемым на изолированный затвор, причем для не очень высоких частот переключения мощность управляющей цепи чрезвычайно мала из-за высокого входного сопротивления транзистора. МДП-транзистор является одним из самых быстродействующих приборов, время переключения его составляет единицы наносекунд.

Сравнительно недавно был создан новый и весьма перспективный управляемый переключающий прибор, получивший название биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – insulated gate bipolar transistor). Этот прибор сочетает в себе достоинства биполярных и полевых МДП-транзисторов и способен коммутировать значительные токи при высоком быстродействии, малой мощности управляющей цепи и высо­ких значениях обратных напряжений. Полупроводниковая структура прибора похожа на тиристорную (см. рис. 8.12), но со свойствами управляемого усилителя. Ток управления задается МДП-транзистором, который в свою очередь управляется напряжением. Вся полупроводниковая часть прибора выполнена в одном кристалле полупроводника. Прибор позволяет коммутировать токи до 400 А при напряжениях до 1600 В, а его быстродействие составляет десятые доли микросекунды.