§ 2.9. ТИРИСТОРЫ

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) , предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные.

В диодных тиристорах различают: тиристоры, запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют: на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их составе различают группу выключаемых тиристоров.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Условные обозначения тиристоров:

1 - диодный, запираемый в обратном направлении; 2 — диодный, проводящий в обратном направлении; 3 - диодный симметричный; 4, 5 - триодные, запираемые в обратном направлении с управлением по аноду и кагоду; 6, 7- триодные, проводящие в обратном направлении с управлением по аноду и катоду; 8 - фиодные симметричные; 9, 10 - триодные, проводящие в обратном направлении, выключаемые, 11 - теродные, запираемые в обратном направлении

Рис. 2.32. Структура тиристора (а); структура и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б), (в)

Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержа) четыре чередующихся p- и n-области (рис. 2.32, а).

Область , в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область — катодом; области - базами.

Если к аноду подключить плюс источника напряжения, а к катоду — минус, то переходы окажутся открытыми, а переход — закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.32, о, в. Ток цепи определяется током коллекторного перехода . Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора p-n-p-типа. и потока электронов из эмиттера транзистора n-p-n-типа, а также от обратного тока p-n-перехода.

Так как переходы смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки — из области , электроны - из области . Эти носители заряда, диффундируя в областях баз , приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через . Дырки, инжектированные из , - области, и электроны из движутся через переход в противоположных направлениях, создавая общий ток .

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе . Поэтому к переходам , имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика В этом случае ток мал и равен обратному гоку через переход . При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно.

При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области -перехода ионизируют их. вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область , а электроны — в область . Ток через переход увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам , и увеличению инжекции через них. что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение гоков инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.33) После переключения вольт-амперная характеристика аналогич на ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок соответствует закрытом) состоянию тиристора.

Рис. 2.33. Вольт-амперная характеристика динистора

Для определения тока, протекающею через диодный тиристор, рассмотрим его двухтранзисторную модель (см. рис. 2.32, в). Токи коллекторов транзисторов соответственно равны

Здесь — обратные токи коллекторных переходов транзисторов — коэффициенты передачи эмиттерного тока.

Так как то с учетом (2.67) получим

Если считать, что коэффициент лавинного умножения М, (см. ) в переходе для дырок и электронов пмее! одинаковые значения, то выражение (2.68) примем

где — обратный ток перехода , равный сумме теплового тока, тока термогенерации и тока утечек.

Рис. 2.34. Триодный тиристор: а — структура; б — вольт-амперная характеристика; в - характеристики, поясняющие процесс включения; 1 линия нагрузки

Тиристор переключается, когда . В этом случае ток ограничен сопротивлением внешней цепи R, так как собственное сопротивление тиристора весьма мало. Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток меньше (участков 3 на рис. 2.33). Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, получится тиристор, проводящий в обратном направлении.

Триодные тиристоры (рис. 2.34, а) отличаются от диодных . что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

При подаче в цепь управляющего электрода тока управления ток через увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через -переход приводит к увеличению тока на величину :

(2.70)

Увеличение тока через запертый коллекторный -переход в первом приближении аналогично увеличению приложенного напряжения, гак как в обоих случаях увеличивается вероятность лавинного размножения носителей заряда. Поэтому изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора показано на рис. 2.34, б.

Для того чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения путем понижения питающего напряжения до значения ниже - либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности.

Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис. 2.34, в. Если к нему через резистор R приложено напряжение , и ток в цепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а. При увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1 (построение линий нагрузки рассмотрено в § 4.2). Когда ток управляющего электрода достигнет значения , тиристор включится и рабочая точка его переместится в точку . Для выключения необходимо (при уменьшить напряжение питания до значения . При этом рабочая точка из , перейдет в а, и при восстановлении напряжения — в точку а.

Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Наличие его приводит к уменьшению концентрации носителей зарядов в базе и уменьшению коэффициентов . При тиристор выключается и в его цепи протекает малый ток, значение которого равно .

Недостатком такого выключения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания: . Он характеризует эффективность выключения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок .

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.