Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода - анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Рассмотрим работу диодного тиристора. На рис 3.50 приведена модель такого тиристора. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым (Э1) и вторым (Э2) эмиттерами , к первому эмиттеру прилегает первая база (Б1) , ко второму - вторая база (Б2). В тиристоре различают первый (ЭП1) и второй (ЭП2) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (КП). На рис. 3.50,б показано распределение потенциала при подаче на анод положительного напряжения u_А. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - под прямым. Ток через КП , а следовательно, и ток тиристора i равен (см. рис. 3.50,а):

i = i_КП=a ₁ i+a ₂ i+ i_К0 , откуда:

. (3.81)

Учитывая, что ток i_К0 зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты a - от тока i , формула (3.81) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (Рис.3.51). При положительном напряжении на аноде (участок ОА) через тиристор протекает очень маленький ток i » i_К0 ( i_К0 - тепловой ток КП, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом КП ( u_КП » u_А), прямые токи ЭП1 и ЭП2 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи a ₁ и a ₂ очень малы (обычно не более 0,1 ... 0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток i (за счет i_К0( u_А)), увеличиваются коэффициенты a (i) и увеличивается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая, как видно из рис. 3.50,б, является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через КП в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (как видно из рис. 3.50,б, Б1 является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока i. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока i может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Пока суммарный коэффициент ( a ₁+ a ₂)<1 , тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОА рис.3.51). По мере приближения напряжения к некоторой величине u_ВКЛ значение ( a ₁+ a ₂) ® 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение u_А подается от генератора напряжения (в схеме рис.50 R=0) анодный ток i будет неограниченно возрастать [1-( a ₁+ a ₂) ® 0] и прибор выйдет из строя.
2. Если в эксперименте используется генератор тока R® Ґ (физически это очень трудно реализовать, так как потребуется R ³ единиц МОм и ЭДС источника несколько киловольт), то можно получить характеристику на участке АВ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1 - ( a ₁+ a ₂) » 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается (переход “заплывает”) и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки B все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжениеu_А » 1 В). Вид ВАХ на участке ВС (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями тиристорной структуры.
3. Реально используется источник напряжения с сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке AB. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачком (работает положительная ОС при недостаточном ограничении тока) вдоль нагрузочной линии A - B' (пунктир на рис. 3.51). Аналогично вдоль нагрузочной линии произойдет и выключение тиристора (пунктир В - А' ) при уменьшении напряжения. Точке В соответствует ток i_УД- удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора коллекторный переход оказывается смещенным впрямом направлении, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - в обратном. Ток через тиристор мал. С ростом отрицательного напряжения может произойти пробой эмиттерных переходов , однако, этот режим является нерабочим.
Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 3.52).

При подаче в цепь управляющего электрода тока i_У ток через эмиттерный переход ЭП1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое ( a ₁+ a ₂) » 1, будет достигаться при меньшем напряжения включения u_ВКЛ (рис.3.52б). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_У можно изменять величину напряжения включения u_ВКЛ. Некоторые маломощные тиристоры можно и выключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода. В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах (рис. 3.53,а). Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и называются семисторами (рис.3.53,б).

Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода ( меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд - сотни микросекунд).