§ 4.3. ТИРИСТОРЫ

В электротехнике, электронике и особенно в автоматике широкое применение находят приборы, для которых характерны два состояния: закрытое, при котором их сопротивление велико, и открытое, при котором сопротивление минимально. Такие приборы обычно выполняют роль бесконтактного электронного ключа или, как говорят, они работают в «ключевом» режиме.

Для работы в ключевом режиме иногда еще используется ионный прибор тиратрон: в стеклянном баллоне, заполненном смесью инертных газов или парами ртути, размещены катод, анод и управляющий

электрод. Незажженный тиратрон, включенный в какую-либо силовую цепь, тока не проводит. Однако при подаче поджигающего импульса напряжения на управляющий электрод в тиратроне начинается лавинная ионизация газа, промежуток катод — анод становится проводящим и силовая цепь замыкается. Гашение тиратрона осуществляется, например, сильным снижением анодного напряжения. Использование тиратрона, как и всех ионных и электронных приборов, сильно ограничено.

В настоящее время широкое распространение получают четырехслойные полупроводниковые приборы, вольт-ампериые характеристики которых имеют (подобно тиратрону) падающий участок. По аналогии с названиями «тиратрон» и «транзистор» эти приборы были названы тиристорами (греч. thyra-дверь, вход и англ. resistor — резистор).

Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор со слоями чередующихся и -проводимостей. Два крайних слоя тиристора (по аналогии с электронной лампой) — анод и катод, а один из средних — управляющий электрод.

На рисунке 4-7 изображены структурная схема тиристора а, вольт-амперная характеристика б и условное обозначение в. В нем нет управляющего электрода и управление открыванием и закрыванием может быть осуществлено лишь изменением приложенного к тиристору напряжения Unep. Такие тиристоры получили название динисторов.

При указанной на рисунке 4-7 полярности приложенного к тиристору внешнего (переключающего) напряжения основная его часть придется на закрытый -переход 2, тогда как переходы 1 и 3 оказываются открытыми. При этом дырки, перешедшие из слоя в слой частично рекомбинируют с электронами в слое Их некомпенсированный заряд в слое вызовет вторичную встречную инжекцию электронов из слоя Аналогично электроны слоя пройдут через слой в слой частично рекомбинируя с дырками в слое Они вызовут вторичную встречную инжекцию дырок из слоя Эти процессы и создадут необходимые условия для развития лавинного процесса. Однако последний начнется лишь при некотором вполне достаточно большом внешнем напряжении

Рис. 4-7

. При этом благодаря обилию зарядов в переходе 2 напряжение на нем сильно упадет (примерно до 1 В) и энергия, выделяемая в этом переходе, окажется незначительной для каких-либо необратимых процессов в структуре прибора.

Если ток через тиристор сильно уменьшить до некоторого значения удерживающего тока тиристор закроется и перейдет в состояние низкой проводимости (участок ОА на рис. 4-7, б). При внешнем напряжении обратной полярности вольт-амперная характеристика тиристора (участок OD на рис. 4-7, б) такая же, как и у обычного полупроводникового диода.

Рассмотренный здесь неуправляемый тиристор имеет существенный недостаток: его открывания и закрывания возможны лишь при значительных изменениях внешних напряжения и тока. На практике в основном используют тиристоры, в которых помимо основной цепи есть цепь управления (рис. 4-8). За счет импульса тока цепи управления слой пополняется дырками, а слой электронами (на самом деле электроны из слоя через цепь управления переходят в слой ). Это приводит к тому, что ток, протекающий через тиристор (электронный и дырочный), будет значительно больше тока цепи управления. Отсюда и следует, что, подбирая значения тока управления, можно открывать тиристор при различных токах нагрузки (рис. 4-9). Закрывание тиристора ществляется импульсами тока управления обратной полярности.

Полупроводниковый элемент тиристора изготовляют из кремниевых монокристаллических пластин или дисков с добавками бора, алюминия и фосфора, помещая этот элемент в герметичный металлический или керамический корпус.

На рисунке 4-10 изображен внешний вид наиболее распространенных тиристоров: а — неуправляемый мощный таблеточного типа в керамическом корпусе; б — управляемый маломощный, используемый в схемах радиоэлектронных приборов; в — управляемый маломощный штыревого типа в металлическом корпусе; г — управляемый мощный штыревого типа в металлическом корпусе.

Тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до А и на напряжения от нескольких вольт до нескольких киловольт с временем включения от нескольких десятых долей до нескольких десятков микросекунд. Их КПД достигает 99%.

Рис. 4-8

Рис. 4-9

Рис. 4-10

Тиристоры широко используют в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии, в системах автоматики, в электронных устройствах. В последние годы тиристоры почти полностью вытеснили электровакуумные и ионные вентили.