Принцип действия и вольтамперные характеристики тиристоров

Переключающие полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами называются тиристорами.

Приборы с четырехслойной структурой p-n-p-n представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в толще полупроводника смежных слоев с различными типами проводимостей. Основу такого прибора составляет кремниевая пластинка, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слой с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями, образующими три p-n перехода (рис.4). Крайние области такой структуры называют n и р -эмиттерами, примыкающие к ним p-n переходы - эмиттерными (ЭП₁ и ЭП₂), центральный переход - коллекторным (КП). Между переходами находятся p и n - базы.

Электрод, обеспечивающий контакт с р -эмиттером называют анодом, с n-эмиттером - катодом.

Существуют три разновидности тиристоров:

1. Диодный тиристор (динистор) - базы не имеют выводов;

2. Триодный тиристор (тринистор) - имеет выход от р-базы, называемый управляющим электродом;

3. Тетродный тиристор - обе базы имеют управляющие электроды.

При подаче на анод отрицательного напряжения КП открыт, ЭП₁ и ЭП₂ закрыты, ток, протекающий через тиристор мал, так как протекает по существу через два обратно-включенных диода. При подаче на анод положительного напряжения КП закрыт, ЭП₁ и ЭП₂ открыты. Возникает инжекция носителей зарядов через ЭП₁ и ЭП₂, в результате, через КП, с учетом его собственного обратного тока – I_обр, протекает ток:

I_кп = I_э1 + I_э2 + I_обр

Так как, I_кп, I_э1, I_э2- это один и тот же ток, равный току анода- I_а, то анодный ток определяется из выражения:

В основе работы тиристора лежит сильная зависимость коэффициентов передачи ₁ и ₂ от величины тока. При малых токах (порядка мкА) I_а,  мало, а с ростом тока  увеличивается и стремится к единице.

Таким образом, пока анодное напряжение мало, ток мал и ₁ +₂<<1

С ростом анодного напряжения увеличивается прямое напряжение наЭП₁ и ЭП₂, усиливается инжекция носителей заряда. Электроны инжектируемые n-эмиттером создают в n-базе неравновесный отрицательный заряд.

Дырки инжектируемые р-эмиттером, создают неравновесный положительный заряд в р-базе. Эти заряды способствуют уменьшению потенциальных барьеров ЭП₁ и ЭП₂ и приводят к еще большему росту токов I_э1 и I_э2. В тиристоре возникает внутренняя положительная обратная связь, которая при достижении условия ₁+ ₂ = 1 приводит к самопроизвольному лавинообразному нарастанию тока анода. При этом КП насыщается инжектированными носителями заряда, его сопротивление резко падает и он открывается. Этому способствует и уменьшение обратного напряжения на нем за счет действия неравновесных сил накопленных зарядов в базах. Сопротивление тиристора резко уменьшается, анодный ток ограничивается практически величиной сопротивления анодной цепи R_а.

Падение напряжения на тиристоре: U_а = E_а – I_а R_а составляет около одного вольта.

Таким образом, тиристор представляет собой ключевой прибор, имеющий два устойчивых состояния: "откры­то" и "закрыто" ("тира" - по гречески "дверь").

Основной характеристикой тиристора является его вольт-амперная характеристика (рис.5). На ней можно выделить 4 основных области:

1. На аноде положительное напряжение, но ток мал (порядка мкА), тиристор закрыт.

2. Тиристор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это неустойчивая область перехода от закрытого состояния к открытому.

3. Напряжение на аноде не превышает 1-2 В, ток велик, тиристор открыт.

4. Напряжение на аноде отрицательное, ток мал, тиристор закрыт.

Основные параметры тиристоров:

- напряжение и ток включения – U_вкл, I_вкл;

- максимально допустимый прямой ток – I_{пр max};

- остаточное напряжение – U_ост;

- ток удержания – I_уд - минимальный ток, при котором сохраняется открытое состояние тиристора. Быстродействие тиристора характеризуется временем включения – t_вкл ( < 0,5 мкс) и временем вык­лючения – t_выкл ( < 6 мкс).

Основными способами включения тиристора являются:

1. Увеличение анодного напряжения до напряжения U_вкл.

2. Подача тока в цепь управляющего электрода. Чем больше управляющий ток – I_упр,- тем больше инжекция из управляющего эмиттерного перехода в базовую область, что приводит к уменьшению U_вкл (рис.3).

Основными способами выключения тиристора являются:

1. Разрыв цепи анодного тока. Тиристор оказывается в выключенном состоянии только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базах. Этот процесс происходит за счет рекомбинации, поэтому время выключения в этом случае может быть довольно большим и зависит от вре­мени жизни носителей заряда.

2. Изменение полярности анодного напряжения. Время выключения уменьшается за счет того, что рассасывание неравновесных зарядов происходит через открытый КП. При этом для эффективного рассасывания зарядов, значение обратного напряжения должно быть достаточно большим, с тем, чтобы довести эмиттерные переходы до состояния электрического пробоя. При этом условии практически все внешнее напряжение U_обр, бу­дет приложено к КП, увеличивая скорость рекомбинации.

3. Подача обратного напряжения (обратного тока) в цепь управляющего электрода. Запирающий ток при этом имеет величину одного порядка с анодным током. Поэтому данный способ применяется при небольших анодных токах.

Кроме рассмотренных типов тиристоров (динисторов и тринисторов) существуют так называемые запираемые тиристоры. Принцип действия запираемых тиристоров основан на том, что из открытого состояния в закрытое его можно перевести с помощью обратного напряжения, подаваемого на управляющий электрод. При этом запирающий ток достаточно мал. Таким образом, запираемый тиристор способен включаться и выключаться с помощью управляющего электрода, путем подачи на него импульсов положительной и отрицательной полярности.

Недостаток триодных и запираемых тиристоров - невозможность проводить ток в обоих направлениях. Этого недостатка лишены симметричные тиристоры, которые позволяют управлять цепью переменного тока в течение как положительного, так и отрицательного полупериодов приложенного напряжения. Кроме того, они могут управляться импульсами любой полярности. Таким образом, симметричный тиристор (триак) имеет два устойчивых состояния "открытое" и "закрытое", и может проводить ток как в прямом так и в обратном направлении. Триаки имеют структуру p-n-p-n-p (4 p-n -перехода).

Диапазон применения тиристоров очень обширен и разнообразен. Они могут применяться для коммутации цепей постоянного и переменного тока, как выключатели и переключатели, выключатели с временной задержкой, защитные и сигнальные устройства, для создания световых эффектов и т.д.

Они применяются также как импульсные устройства: генераторы пилообразного напряжения, мультивибраторы и триггеры, генераторы импульсов специальной формы, счетчики импульсов, регистры сдвига и т.д.

Таким образом, тиристоры обладают высокой надежностью и долговечностью, постоянной готовностью к действию, малыми габаритами и высокой экономичностью. Современные импульсные тиристоры имеют рабочее напряжение до 1000 В, ток 1000 А и более, время включения по управляющему электроду 0,1-0,5 мкс, время выключения - не более 6 мкс. Мощные тиристоры на токи в сотни ампер и более имеют принудительное воздушное или жидкостное охлаждение.