1.7. ТИРИСТОРЫ

Тиристорами называют управляемые полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) структур, способные под действием сигнала управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее).

Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной p-n-p-n структуре, ВАХ которой приведена на рис. 1.13, а. На рис. показано схемное обозначение рассматриваемого тиристора, который имеет три вывода во внешнюю цепь.

Рис. 1.13. Вольт-амперная характеристика (а), схемное обозначение (б) и схема включения (в) однооперационного тиристора

Электроды прибора называются: А — анод, К — катод, УЭ — управляющий электрод.

Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 1.13,в), то при нулевом сигнале на управляющем электроде ток в цепи будет отсутствовать. Это связано с тем, что при прямом закрытом состоянии (участок на характеристике рис. 1.13, а) сопротивление тиристора очень велико. Если теперь на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор включается и через нагрузку начинает протекать ток. Ввиду малого падения напряжения на включенном тиристоре на участке II характеристики рис. анодный ток после включения определяется

Включение тиристора может произойти и без сигнала управления, если увеличить ЭДС источника питания до значения, большего напряжения ивкл, показанного на рис. 1.13, а. В этом случае рабочая точка с участка ВАХ переходит на участок II минуя падающий участок III. На практике такое включение «по аноду» для большинства типов тиристоров нежелательно из-за возможного повреждения прибора.

Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля или до отрицательного значения или прерывания анодного тока. Управляющая цепь такого прибора выполняет только одну операцию — включение тиристора. Такой тип тиристоров является наиболее распространенным, эти тиристоры получили наименование однооперационных (или незапираемых).

Какие физические процессы обусловливают указанные свойства тиристоров? Структура прибора приведена на рис. 1.14, а. При приложении к тиристору прямого напряжения (плюс на анод А, минус на катод К) оно будет прямым и отпирающим для переходов и обратным для перехода .

Рис. 1.14. Распределение токов в тиристоре (а) и двухтранзисторная схема замещения тиристора (б)

Данную структуру можно представить состоящей из двух транзисторов — (рис. 1.14,б).

В обоих транзисторах переход является коллекторным, а переходы — эмиттерными соответственно для p-n-p и n-p-n транзисторов. На участке I ВАХ рис. 1.13, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном, поэтому p-n-p транзистор работает в режиме, рассмотренном в § 1.4, распределение токов описывается (1.2). Через прямой переход из эмиттера в базу n 1 диффундируют которых рекомбинирует в базе, а другая часть втягивается полем перехода и попадает в коллектор . Распределение указанной дырочной составляющей тока показано на рис. 1.14, а. В аналогичном режиме работает и второй транзистор. Эмиттерный переход n-p-n транзистора также смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Через эмиттерный переход проходит суммарный ток — ток управляющего электрода). Часть электронов, обусловленных этим током, рекомбинирует в базе (слой ) , остальные электроны доходят до коллекторного перехода , захватываются его полем и попадают в коллектор (слой ). Эта электронная составляющая тока показана в нижней части структуры на рис. 1.14, а. Кроме этих транзисторных составляющих тока коллекторного перехода , обусловленных токами эмиттерных переходов , через переход протекает ток неосновных носителей, имеющихся в слоях Из рис. 1.14, а легко заключить, что где — полный ток через переход , т. е. суммарный коллекторный ток обоих транзисторов

отсюда

Рассмотрим зависимость коэффициентов передачи по току обоих транзисторов от тока . Эти коэффициенты зависят от вероятности рекомбинации носителей в базах . С ростом тока рекомбинация падает, так как центры рекомбинации заполняются при каждом акте рекомбинации, что ведет к увеличению коэффициентов . До тех пор, пока сумма , переход закрыт и тиристор остается в закрытом состоянии, т. е. обладает высоким сопротивлением для тока (участок 1 ВАХ на рис. 1.13, а).

При увеличении тока h за счет увеличения либо управляющего тока , либо напряжения сумма растет и, когда , как следует из (1.9), Это означает, что происходит отпирание тиристора: сопротивление его резко снижается и падение напряжения на тиристоре уменьшается. В реальной схеме рис. 1.13, в при отпирании тиристора устанавливается ток, соответствующий (1.7) (участок II характеристики рис. 1.13, а).

Процесс отпирания тиристора обусловлен наличием внутренней положительной обратной связи и протекает лавинообразно (регенеративный процесс). Рассмотрим процесс включения тиристора при подаче управляющего тока . При этом увеличивается ток через переход и его составляющая , которая для р-n-р транзистора является током базы, поэтому возрастает доля тока коллектора . Общий ток возрастает, при этом в базу n-p-n транзистора поступает из слоя больший ток, что вновь вызывает увеличение коллекторного тока транзистора n-p-n-типа. При увеличении тока значения коэффициентов передачи растут и знаменатель в выражении (1.9) обращается в нуль. За счет резкого нарастания тока увеличивается падение напряжения на резисторе (рис. 1.13, в), а падение напряжения на тиристоре уменьшается.

Если после отпирания тиристора уменьшить ток до нуля, то в результате протекающего большого тока будет поддерживаться нулевое значение знаменателя в выражении (1.9) и прибор останется в открытом, проводящем состоянии. Тиристор можно запереть только при приложении обратного напряжения либо при разрыве цепи протекания тока источника .

При приложении к тиристору обратного напряжения прибор все время находится в закрытом состоянии, поскольку переходы находятся под обратным напряжением. Обратная ветвь ВАХ тиристора (участок IV на рис. 1.13, а) аналогична обратной ветви ВАХ полупроводникового диода.