Вольтамперная характеристика диодного тиристора

На основе изложения выше на рисунке 13.3 приведена вольтамперная характеристика диодного тиристора и указаны его характерные участки. Участки I, II и III соответствуют положительному смещению тиристора, а участок IV – отрицательному смещению.

Рис. 13.3. Вольтамперная характеристика диодного тиристора.

На участке I переход П2 смещен в обратном направлении и ток тиристора определяется небольшим обратным тепловым током I₀₁ перехода П2. В точке V=V_В начинается второй участок. На этом участке тиристор открыть, ток резко растет и его значение I_ост ограничивается резистором R_б: . Напряжение на тиристоре уменьшается до V_ост и определяется практически суммой падений напряжений на прямосмещенных переходах П1-П3. Как видно, на участке II с ростом тока напряжение уменьшается, т.е. возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Этот участок на вольтамперной характеристике обозначен штриховой линией, так как экспериментально этот участок статической характеристики снять практически невозможно из-за неконтролируемого роста тока. На участке III имеем практически прямую вольтамперную характеристику трех последовательно включенных р-п переходов. Участок IV представляет собой обратную характеристику р-п перехода, ток I₀₂ в котором определяется обратным тепловым током переходов П1 и П3. При достаточно большом отрицательном смещении возможен лавинный пробой этих переходов, что приведет к резкому росту тока.

Для теоретического описания вольтамперной характеристики диодного тиристора используется его представление в виде модели, состоящей из двух транзисторов VT1 и VT2 соответственно р-п-р и п-р-п типа, соединенных как показано на рисунке 13.4. Для этого условно в базовых областях

а) б)

Рис. 13.4. Двухтранзисторная модель диодного тиристора.

диодного тиристора проведем штриховые линии, как показано на рис. 13.4, а. Тогда переходы П1 и П3 диодного тиристора становятся эмиттерными переходами транзисторов VT1 и VT2, а переход П3 – коллекторным переходом обоих транзисторов (рис. 13.4, б).

Описание работы двухтранзисторной модели удобно рассмотреть по его электрической схеме включения с условно-графическими обозначениями транзисторов VT1 и VT2 (рис.13.5). Как видно из рисунка, между двумя транзисторами существует сильная связь, имеющая принципиальное значение для работы тиристора. Действительно, как видно из рисунка, коллекторный ток I_К2 транзистора VT2 является током базы I_Б1 транзистора VT1 и наоборот, ток коллектора I_К1 транз и стора VT1 током базы I_Б2 транзистора VT2, поэтому, возрастание тока I_К2 вызывает рост тока базы I_Б1, что в свою очередь вызывает

Рис.13.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора c условно-графическими обозначениями транзисторов

рост тока I_К1 и соответственно I_Б2. Рост тока I_Б2 увеличивает ток коллектора I_К2 и обратная связь замыкается. Такая связь называется положительной обратной связью, что и является причиной появления отрицательного дифференциального сопротивления в вольтамперной характеристике тиристора.

В соответствии с транзисторной моделью диодного тиристора (рис. 13.5) ток I в его внешней цепи можно представить как сумму коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2:

(13.1)

Транзисторы VT1 и VT2 в транзисторной модели соединены в схеме с ОБ, поэтому справедливы соотношения:

и , (13.2)

где и - коэффициенты передачи токов эмиттера транзисторов VT1 и VT2, и - обратные тепловые токи этих транзисторов. Подставив (13.2) в (13.1) и учитывая, что в неразветвленной цепи , получим:

, (13.3)

где - суммарный тепловой ток транзисторов. Из (13.3) окончательно имеем:

. (13.4)
В (13.4) явно не входит напряжение, действующее на тиристоре. Однако, , и зависят от величины действующего напряжения на тиристоре и, поэтому, выражение (13.4) можно рассматривать как вольтамперную характеристику диодного тиристора. Проведем его анализ.

Тепловой ток определяется током обратно смещенного перехода П2. Так как тиристоры являются кремниевыми приборами, то основной составляющей этого тока является ток генерации. С ростом обратного напряжения на переходе ширина перехода П2 возрастает, происходит рост числа генерируемых носителей, а, следовательно, и рост тока (см. участок 1 на вольтамперной характеристике динистора).

Коэффициенты передачи токов и зависят как от токов эмиттера транзисторов VT1 и VT2, так и от приложенного напряжения (см. рис. 5.1). Однако в тиристоре основное влияние на его работу оказывает зависимость и от величины эмиттерных токов. Действительно, при малых токах эмиттера в транзисторах и намного меньше единицы ( <<1, <<1) так, что ( + ) << 1. Тогда из (13.4) следует, что ток тиристора : имеем закрытое состояние тиристора и участок I на вольтамперной характеристике диодного тиристора. Некоторый рост тока на этом участке с ростом напряжения, как отмечалось выше, обусловлен ростом тока генерации на переходе П2.

Одновременно с ростом напряжения и ростом тока тиристора происходит рост значений коэффициентов и . При некотором напряжении V=V_В сумма ( + ) = 1 и ток тиристора в соответствие (13.4) начнет бесконечно возрастать. Однако наличие резистора R_Б в цепи тиристора ограничивает рост тока и вольтамперная характеристика из точки с координатами (V_В,I_В) перейдет в точку с координатами (V_ост,I_ост): формируется участок II на вольтамперной характеристике и тиристор переходит в состояние открыто.

Как было сказано выше, участок II характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Найдем условие его возникновения. Для этого продифференцируем (13.4) по напряжению, учитывая, что является функцией напряжения, а и являются функциями напряжения и тока. Получим:

. (13.5)

Учитывая, что и являются дифференциальными коэффициентами передачи тока (см. формулу 5.4) имеем:

. (13.6)

Из (13.6) следует, что условием возникновения отрицательного дифференциального сопротивления является

(13.7)

Если значение обратного напряжения на переходе П2 достигнет напряжения лавинного пробоя, то при расчетах тока тиристора необходимо учесть лавинное разумножение носителей тока в переходе. Для этого достаточно в (13.4) все слагаемые умножить на коэффициент лавинного умножения М:

, (13.8)

а условие возникновения отрицательного дифференциального сопротивления запишется в виде:

. (13.9)

Так как обычно значение М >> 1, то условие (13.9) выполняется проще чем (13.7) и переход тиристора из закрытого состояния в открытое происходит более облегченно.

Дата добавления: 2015-05-06