Силовые полупроводниковые приборы

Силовые полупроводниковые приборы предназначены для использования в силовых устройствах — управления электроприводом, преобразователях частоты, блоках питания большой мощности и т.д.

Тиристором называется полупроводниковый прибор, основой которого служит четырехслойная структура типа р-п-р-п (п-р-п-р), изготовленный из кремния с тремя р-п переходами. В простейшем случае тиристор имеет два электрода — анод и катод (рис. 21), называется диод тиристором или динистором. Анод осуществляет электрическую связь с внешней p-областью, а катод — с внешней n-областью. Два крайних перехода П₁ и П₃ называют эмиттерными переходами, средний П₂ — коллекторным.

Если динистор подключать к источнику внешнего напряжения, полярностью, показанной на рис. 21, а, то два перехода П₁ и П₃ окажутся смещенными в прямом направлении, а П₂ — в обратном.

Рис. 21. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)

Поэтому сопротивление перехода П₂, будет значительно больше сопротивлений переходов П₁ и П₃,и основная часть питающего напряжения будет приложена к переходу П₂.По мере увеличения анодного напряжения растет и падение напряжений на переходах П₁ и П₃, а на переходе П₂ уменьшается, ток через динистор увеличивается (рис 22).

При некотором значении внешнего напряжения, называемого напряжением включения U_вкл процесс лавинообразно нарастает, ток резко возрастает, но ограничивается сопротивлением нагрузки R_н,и динистор переходит в режим насыщения (прямолинейный участок характеристики). Таким образом, все три перехода оказываются включенными в прямом направлении, и сопротивление динистора и, соответственно, падения напряжения на нем оказываются незначительными. В этом режиме динистор является отпертым, или включенным. Следовательно, динистор представляет собой переключающий прибор, имеющий два устойчивых состояния: включено и выключено.

Рис. 22. Вольтамперная характеристика динистора

Если от одной из базовых областей сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором (рис. 23).

Рис. 23. Структура тринистора с катодным управлением и его условное графическое обозначение (а); структура тринистора с анодным управлением и его условное графическое обозначение (б)

Подавая через управляющий электрод прямое напряжение на один из переходов, можно увеличить ток через этот переход, следовательно, и общий анодный ток, что приводит к снижению величины напряжения включения U_вкл. Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно управлять напряжением включения тринистора. При токе управления I_упр = 0, характеристика тринистора совпадает с характеристикой динистора (рис. 24). При токе I_упр > 0 происходит инжекция носителей из соответствующего эмиттерного перехода к коллекторному переходу.

Рис. 24. Вольт-амперная характеристика тринистора

Чем больше управляющий ток, тем сильнее инжекция носителей и тем меньше требуется напряжения на тринисторе для его включения. Таким образом, для включения тринистора при заданном напряжении нужно соответственно подобрать значение управляющего тока.

Рассмотренные тринисторы не запираются с помощью тока управления. Чтобы тринистор запереть, следует уменьшить анодный ток до значения ниже I_вкл. В радиоэлектронной аппаратуре применяются тринисторы, которые можно запереть отрицательным импульсом управляющего тока (рис. 25).

Рис. 25. Условное графическое обозначение запираемого тиристора:

а — с выводом от р-области; б —с выводом от n-области

Четырехслойные тиристоры, рассмотренные выше, коммутируют токи, протекающие в одном направлении. На переменном токе применяются многослойные полупроводниковые приборы — симисторы (симметричные тринисторы), которые при воздействии напряжений различной полярности могут переключаться в двух направлениях. Основу таких приборов составляет шестислойная структура (рис. 26), у которой концевые переходы П₁ и П₄ соединены металлическими шунтами Ш₁ и Ш₂. Так как слой полупроводниковой структуры обладает высоким сопротивлением, крайние переходы П₁ и П₄ оказываются шунтированными лишь частично, в области контактов. В области р₂ есть участок п₆, обладающий электронной проводимостью. Между слоями р₂ и n₃ образуется электронно-дырочный переход П₅.

Рис. 26. Структура симистора (а) и его условное графическое

обозначение (б)

При приложении напряжения в цепи прибора с отрицательной полярностью на вывод А, а положительной — на вывод В переход П₄ закрыт, ток проходит через слои n₁– р₂ – n₃ – р₄.Подача положительного управляющего импульса на управляемый электрод УЭ вызывает отпирание прибора как обычного четырехслойного тринистора. При этом шестой слой п₆ не оказывает влияния на работу прибора.

В случае приложения к цепи симистора напряжения противоположной полярности переход П₁ смещается в обратном направлении, и напряжение оказывается приложенным к слоям р₂ – n₃ – p₄ – n₅.При подаче на управляющий электрод импульса положительной полярности переход П₅ смещается в прямом направлении, и электроны, инжектируемые из слоя п₆ в слой р₂, выбрасываются полем перехода П₂ в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию из слоя р₂ дырок, которые, пройдя слой п₃, попадают в закрытый переход П₃ и способствуют переводу структуры р₂ – n₃ – p₄ – n₅ в проводящее состояние.

Вольтамперная характеристика состоит из двух почти симметричных относительно начала координат ветвей, аналогичных прямой ветви четырехслойного тринистора (рис. 27).

Рис. 27. Вольт-амперная характеристика симистора

Симисторы применяют для фазового регулирования мощности переменного тока, а также для работы в бесконтактной коммутационной и регулирующей аппаратуре.