Тиристоры. Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-п переходами, на вольт-амперной характеристике которого имеется участок с отрицательным

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-п переходами, на вольт-амперной характеристике которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристоры подразделяются на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). В цепях переменного тока используются специальные симметричные тиристоры–симисторы.

Динистор – двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три р-п перехода. Крайняя область р называется анодом, а крайняя область п – катодом. Структура динистора и его схематическое изображение приведены на рис.2.30.

Четырехслойную структуру динистора можно рассматривать как совокупность двух транзисторов типа р-п-р и п-р-п, соединенных между собой. Соединение структур и схема замещения показаны на рис.2.31.

При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подать положительное напряжение, то переходы J ₁ и J ₃ будут смещены в прямом направлении, а переход J ₂ – в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу J ₂. Вследствие этого в структуре возникает поток электронов, перемещающийся из электронного эмиттера (Э ₂) через дырочную базу (Б ₂) в электронную базу Б ₁, и поток дырок, перемещающийся из дырочного эмиттера Э ₁ через электронную базу Б ₁ и коллекторный переход в дырочную базу Б ₂. Некоторая часть носителей заряда рекомбинирует в соответствующих базах, поэтому через коллекторный переход будет протекать ток

.

Здесь α ₁ и α ₂ – интегральные коэффициенты передачи токов, I_{к 0} – ток утечки коллекторных переходов (ток генерации).

Ток во внешней цепи равен , поэтому . Отсюда получим значение внешнего тока

.

Вольтамперная характеристика динистора приведена на рис.2.32.

Начальный участок вольт-амперной характеристики соответствует закрытому состоянию динистора. При этом выполняется условие (α ₁ +α ₂)<1, и ток в динисторе будет равен I_{к 0}. С ростом напряжения коллекторный переход расширяется, и возрастает ток Генерации. По мере приближения к U=U_вкл увеличиваются интегральные коэффициенты передачи тока, возникает лавинное размножение носителей заряда, и появляется положительная обратная связь, которая состоит в следующем:

Электроны из электронного эмиттера, попадая в электронную базу Б2, снижают потенциальный барьер в переходе П2, что ведет к увеличению потока дырок из дырочного эмиттера, что снижает потенциальный барьер перехода П1. В результате возникает лавинное нарастание тока, что может привести к пробою. Чтобы ограничить рост тока последовательно с динистором всегда включают ограничительный резистор.

При условии (α ₁ +α ₂)≥1 динистор включается и начинает проводить ток. Напряжением включения U_вкл называют такое напряжениие, при котором дифференциальное сопротивление динистора становится равным нулю. При прохождении через точку максимума лавинное размножение начинает уменьшатся, это возможно при условии, что ток увеличивается, а напряжение уменьшается.

Участок АВ обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Уменьшение напряжения происходит за счет того, что электроны и дырки, накапливающиеся в базе динистора снижают потенциальный барьер в коллекторном переходе. При достижении точки В все три перехода оказываются открытыми. Этой точке соответствует ток удержания.

Участок ВС соответствует открытому состоянию динистора, при котором все три перехода имеют прямое включение и динистор можно рассматривать как три последовательно включенных диода. После включения транзисторов динистор замкнется, и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения I_выкл или поменяв полярность напряжения на аноде.

Триодный тиристор или тринистор отличается от динистора наличием вывода от одной из баз. Этот вывод называют управляющим электродом. Его наличие позволяет управлять током одного из эмиттеров. Если подать в одну из баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода тиристоры делятся на тиристоры с анодным управлением и тиристоры с катодным управлением. Расположение управляющих и электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис.2.34 (а) – с катодным управлением, (б) – с анодным управлением.

Вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис.2.35. Она отличается от характеристики динистора тем, напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода.

При увеличении тока управления снижается напряжение включения. После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Выключить тиристор можно размыканием цепи, или понизив ток в нем до значения I_выкл, или поменяв полярность напряжения на аноде.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффект dU/dt». Оно связано с зарядом емкости перехода С_{j 2} при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора). Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

- допустимое обратное напряжение U_обр;

- напряжение в открытом состоянии при заданном прямом токе U_пр;

- допустимый прямой ток I_пр;

- время включения t_вкл и выключения t_выкл.

Симистор – это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Структура симистора и его схематическое обозначение приведены на рис.2.37. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом электропроводности.

Верхняя и нижняя п -области являются укороченными и имеют с соседними р -областями общие металлические выводы. В результате верхний и нижний переходы оказываются зашунтированными объемными сопротивлениями прилегающих р -областей. Если на этих переходах действуют прямые напряжения, то сопротивления переходов оказываются меньше, чем сопротивления базовых областей, и ток течет через переход. Если на переходы подать обратное напряжение, то их сопротивления оказываются больше сопротивлений базовых областей, и ток течет через р -область.

Если потенциал электрода А больше потенциала электрода К, то переходы 1 и 3 оказываются открытыми, а 2 и 4 – закрытыми. В результате верхняя п -область оказывается отключенной, и структура превращается в динистор, в котором электроны перемещаются снизу вверх, а дырки сверху вниз.

Если потенциал электрода А меньше потенциала электрода К, то переходы 1 и 3 закрываются, а 2 и 4 – открываются, и структура превращается в динистор, в котором электроны перемещаются сверху вниз, а дырки – снизу вверх. Таким образом сисмистор является переключательным прибором, который может работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении.

Приборы, у которых отсутствует вывод от внутренней области называют диаками, Прибору, у которых имеется управляющий электрод, называют триаками. В этом случае, подавая импульсы тока в цепь управляющего электрода, можно управлять напряжением триака.

На рис. 2.38 показана вольтамперная характеристика симистора. Как следует из этой характеристики. Прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод положительного импульса.

Основные характеристики симисторов и система обозначений такие же как у тиристоров. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами

Дата добавления: 2014-01-06