Исследование тиристора.

Тиристоры - полупроводниковые приборы, имеющие три и более последовательно образованных р - n - перехода. Тиристоры подразделяются на диодные и триодные. Первые имеют два вывода (электрода), а вторые - три. В настоящее время любой полупроводниковый прибор, имеющий структуру р - п -р - п- типа, называют тиристором. Диодные тиристоры называют также динисторами, или переключающими четырехслойными неуправляемыми диодами, а триодные - тринисторами, или переключающими четырехслойными управляемыми диодами.

Таким образом, тиристоры принадлежат к классу полупроводниковых приборов с многослойной структурой, обладающих двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Структура тиристора р - п - р - п показана на рис.7.1.

Тиристоры имеют три вывода: анод А и катод К из крайних областей и управляющий электрод УЭ. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 7.2 ) состоящей из двух транзисторов р - п - р и п - р - п с объединенными базовыми и коллекторными областями. В соответствии с этим средние слои тиристора называют базовыми областями, или базами прибора, а крайние - эмиттерами. Переход П2служит коллекторным переходом как для левой части прибора, так и для правой и называется коллекторным переходом. Крайние П1 и ПЗ переходы по аналогии с транзисторным аналогом называются эмиттерными переходами.

 

 

Рис. 7.1

Р-тиристор со структурой p-n-p-n -типа

 

Рис. 7.2

Транзисторный аналог триодного тиристора

 

 

Переключение тирис­тора из одного состояния в другое обусловлено дей­ствием внешних факторов, вызывающих смещение пере­ходов П1и П3 в прямом направлении и приводящих к увеличению коэффициента передачи дырочного и электронного токов, протекающих через этипереходы, а также коэффициента лавинного умножения. К таким факторам относятся напряжение на аноде Uпр токуправления температура и др.

Когда к тиристору (при Uy = 0 ) приложено напряжение Unp в прямом напряжении (рис.7.1), переходы П1 и ПЗ смещены в прямом направлении и открыты, но тиристор заперт переходом П2 (между слоями n1 - р2 ), который включен в непроводящем направлении. При этом практически все напряжение приложено к закрытому переходу П2.

Через вентиль при этом проходят два встречно направленных потока носителей зарядов. Электроны инжектируются из слоя п2 в слой р2 и далее проходят в слой n1 , образуя электронный ток In. Дырки инжектируются из слоя pl в слой п2 и далее проходят в слой р2 , образуя дырочный ток Ip. В базах носители зарядов этих токов частично рекомбинируют. Поэтому через переход П2 проходит лишь часть этих потоков, определяемая коэффициентом передачи тока баз пир Кроме того, через коллекторный переход П2 протекают электронная и дырочная составляющие тока утечки Iут не основных носителей зарядов (обратного тока коллекторного перехода ). Поэтому суммарный ток, проходящий через коллекторный переход П2:

Iк= αр * Iр + αn * In + Iут

Так как электронный и дырочный токи тиристора одинаковы (см.рис.7.2),

то есть Iр = In = Iк =I, то

В полученном выражении не учитывается эффект лавинного умножения носителей заряда, который характерен для р - ппереходов с большой напряженностью электрического поля. Напряженность электрического поля в переходе П2, как правило, достаточно велика, так как рабочие напряжения, применяемые в цепях с четырехслойными приборами достаточно велики. Это обусловливает возникновение эффекта лавинного умножения носителей зарядов в коллекторном переходе и определяется коэффициентом лавинного умножения носителей М, который представляет собой отношение числа носителей, выходящих из перехода П2, к числу носителей, входящих в него. Пренебрегая разницей в значениях М для электронов и «дырок», получаем:

 

Как известно, в транзисторах при малых значениях тока и коэффициент α существенно меньше единицы. Поэтому при малых значениях Unp проходящий через тиристор ток мал и определяется током утечки Iут. Величина этого тока очень мало растет с увеличением напряжения. Этот режим называется режи­мом прямого запертого состояния тиристора, ему соответствует участок ОА прямой ветви вольтамперной характерис­тики тиристора (Рис.7.3).

 

Рис. 7.3 Вольтамперная характеристика тиристора

 

В этом режиме концентрация основных носителей в базах с увеличением напряжения меняется очень мало. Поток «дырок» в n1-базу из p1-эмиттера примерно равен притоку «дырок» направо через коллекторный переход в р2- базу:

Избыточные «дырки» в p2 - базе уходят через правый эмиттерный переход П3 в п2-эмиттери частично компенсируются встречным потоком электронов из первого эмиттера. Условиядвижения этих электронов справа налево подобны только что описанным для «дырок».

При дельнейшем увеличении приложенного к вентилю напряжения до значения Uвкл, которое называется напряжением включения, происходит процесс, аналогичный происходящему в транзисторах. При переходе из закрытого состояния в открытое в нем развивается регенеративный процесс, возникающий вследствие внутренней положительной обратной связи, имеющий место в приборе.

По мере увеличения внешнего напряжения Unp прямое смещение эмиттерных переходов П1 и ПЗ возрастает, что приводит к увеличению тока через переходы. Поскольку все р - п - переходы включены последовательно, то увеличивается и ток коллекторного перехода. Это в свою очередь приводит к увеличению коэффициента передачи тока αn и αp и, следовательно, дополнительно увеличивает ток через переход П2.

Кроме того, электроны, движущиеся из р2 - базы в n1- базу и «дырки», перемещающиеся в обратном направлении, под влиянием электрического поля в коллекторе приобретают энергию, достаточную для ударного разрушения валентных связей (ударная ионизация). В результате этого в области коллекторного перехода образуются новые пары подвижных носителей заряда. Вновь образовавшиеся электроны выбрасываются полем коллекторного перехода в nl - базу, а «дырки» - в р2 - базу. Концентрация основных носителей в обеих базах начинает увеличиваться. Вследствие компенсации неподвижных зарядов, образующих потенциальный барьер коллекторного р - п - перехода, происходит процесс его смещения в проводящее состояние и увеличение коэффициента лавинного умножения М.

Под действием внешнего электрического поля «дырки» в р2 - базе подходят к правовому эмиттерному переходу, нейтрализуют там отрицательный заряд неподвижных ионов так, что снижается потенциальный барьер. В результате поток электронов из п2 - эмиттера в р2 - базу увеличивается, что приводит к росту коэффициента передачи тока базы an и плотности потока электронов через коллекторный переход, а с ним и число вновь образуемых пар зарядов.

Подобный процесс наблюдается и в левом эмитерном переходе, потенциальный барьер которого снижается за счет увеличения электронов в n1 - базе .Регенеративный процесс в приборе возникает тогда, когда под действием внешних факторов коэффициент положительной обратной связи μ (αn + αр) достигает единицы. В результате все три перехода П1, П2, ПЗ оказываются смещенными в прямом направлении, напряжение на вентиле резко уменьшается до значения суммарного падения напряжения во всех переходах, и далее тиристор работает как полупроводниковый диод, находящийся в открытом состоянии.

Процессу открытия вентиля соответствует участок АБ (рис.7.3.) отрицательного сопротивления на вольт - амперной характеристике. Амплитудное значение приложенного к тиристору прямого напряжения, превышение которого влечет за собой открывание тиристора, называется напряжением включения Uвкл или напряжением переключения Unep (первый способ переключения тиристора в открытое состояние).

После открытия тиристора ( участок БВ на рис.7.3.) ток ограничивается практически только внешним сопротивлением цепи. При этом вольтамперная характеристика имеет такой же характер, как и ВАХ полупроводникового диода. Тиристор будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока проходящий через него ток Iпр достаточен для инжекции электронов и «дырок» в слои р1 и р2. При снижении тока вентиля до некоторого значения, меньшего тока выключения Uвыкл, вентиль переходит в выключенное состояние, так как число инжектируемых носителей электричества оказывается недостаточным для поддержания перехода П2 в открытом состоянии.

Если на электрод УЭ подать положительный потенциал ( для р - тиристора со структуройр-п-р-п - типа: рис 7.1.) от вспомогательного источника тока, то напряжение, приложенное к цепи управления, увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода ПЗ и, следовательно увеличивает ток из п2 – эмиттера через р2 - базу и переход П2. Рост тока сопровождается соответствующим увеличением коэффициента передачи α.

Приток дополнительного числа электронов через коллекторный переход П2 в n1- базу вызывает снижение потенциала в ней и, как следствие, увеличение диффузионного потока «дырок» через переход П1 с одновременным увеличением коэффициента передачи токаαр. При этом увеличивается и встречная инжекция «дырок» из слоя n1 вслой p1, то есть происходит увеличение тока, созданного не основными носителями через переход П2.

Когда суммарный ток, проходящий через П2, превысит ток включения Iвкл, происходит открытие тиристора. После открытия тиристора управляющий электрод теряет свои управляющие свойства, и прибор остается в открытом состоянии, пока прямой ток, проходящий через него, не станет меньше тока удержания или выключения Iвыкл.

Напряжение включения снижается при увеличении тока управления Iу. При достаточно большом значении последнего, называемого током спрямления Iус, прямая ветвь вольтамперной характеристики вырождается в кривую, аналогичную прямой ветви характеристики обычного диода (второй способ переключения тиристора в открытое состояние).

Зависимость напряжения включения Uвкл от тока управления представляет собой пусковую характеристику (управления). Примерный вид этой зависимости показан на рис.7.4.

При приложении к прибору напряжения обратной полярности электронно-дырочные переходы П1 и ПЗ смещаются в обратном, а переход П2 - в прямом направлении. Сопротивление при этом очень велико, и через прибор протекает малый обратный ток аналогично протеканию обратного тока в цепи не управляемого диода (участок ОВ рис.7.3.). При значительных величинах обратного напряжения возможен пробой закрытых р-п- переходов, чему соответствует участок ВГ вольтамперной характеристики тиристора (рис7.3.). Напряжение пробоя, как правило, близко по величине к напряжению включения при = 0.

 

Рис. 7.4

 

Параметры тиристора.

Система параметров силовых тиристоров и полупроводниковых приборов вообще разделена на две группы: предельно допустимые значения и характеристики.

Предельно допустимые значения - допустимые значения любой электрической, тепловой или механической величины, которое определяет либо предельную способность, либо граничное условие, за пределами которых полупроводниковый прибор может быть поврежден.

К предельным допустимым значениям относятся:

-максимальная величина прямого напряжения U пр. макс;

-максимальная величина обратного напряжения U обр. макс;

-предельный ток Iпр. макс;

-ударный ток Iуд;

-температура р -пперехода;

 

-мощность рассеяния;

-максимальная величина прямого U упр. макси обратного U упр. макснапряжении управляющего электрода:

-критическая скорость нарастания тока.

 

Характеристика - значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует соответствующее свойствоприбора.Характеристики является непосредственно или косвенно измеряемыми величинами. К ним относятся :

-напряжение включения;

-ток включения;

-ток спрямления;

-напряжение спрямления.

Анодно-катодной вольтамперной характеристикой называют функцию, выражающую зависимость анодного тока от анодного напряжения. У тиристоров различают ВАХ закрытого, открытого и обратного непроводящего состояний. ВАХ закрытого состояния изображает зависимость тока от напряжения на участке от нулевой точки до точки переключения. Характеристика открытого состояния соответствует отрезку ВАХ с низким сопротивлением и низким напряжением. Характеристика обратного непроводящего состояния соответствует участку, на котором обратные токи меньше, чем при напряжении пробоя.

Некоторые параметры наиболее распространенных тиристоров приведены в приложении.

 








Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 2380;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.014 сек.