Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода - анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Рассмотрим работу диодного тиристора. На рис 3.50 приведена модель такого тиристора. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым (Э1) и вторым (Э2) эмиттерами, к первому эмиттеру прилегает первая база (Б1), ко второму - вторая база (Б2). В тиристоре различают первый (ЭП1) и второй (ЭП2) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (КП). На рис. 3.50,б показано распределение потенциала при подаче на анод положительного напряжения u_А. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - под прямым. Ток через КП, а следовательно, и ток тиристора i равен (см. рис. 3.50,а):

i = i_КП=a ₁ i+a ₂ i+ i_К0, откуда:

. (3.81)

Учитывая, что ток i_К0 зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты a - от тока i, формула (3.81) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (Рис.3.51). При положительном напряжении на аноде (участок ОА) через тиристор протекает очень маленький ток i» i_К0 (i_К0 - тепловой ток КП, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом КП (u_КП » u_А), прямые токи ЭП1 и ЭП2 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи a ₁ и a ₂ очень малы (обычно не более 0,1... 0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток i (за счет i_К0 (u_А)), увеличиваются коэффициенты a (i) и увеличивается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая, как видно из рис. 3.50,б, является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через КП в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (как видно из рис. 3.50,б, Б1 является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока i. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока i может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Пока суммарный коэффициент (a ₁+ a ₂)<1, тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОА рис.3.51). По мере приближения напряжения к некоторой величине u_ВКЛ значение (a ₁+ a ₂) ® 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение u_А подается от генератора напряжения (в схеме рис.50 R =0) анодный ток i будет неограниченно возрастать [1-(a ₁+ a ₂) ® 0] и прибор выйдет из строя.
2. Если в эксперименте используется генератор тока R® Ґ (физически это очень трудно реализовать, так как потребуется R ³ единиц МОм и ЭДС источника несколько киловольт), то можно получить характеристику на участке АВ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1 - (a ₁+ a ₂)» 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается (переход “заплывает”) и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки B все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжение u_А» 1 В). Вид ВАХ на участке ВС (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями тиристорной структуры.
3. Реально используется источник напряжения с сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке AB. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачком (работает положительная ОС при недостаточном ограничении тока) вдоль нагрузочной линии A - B' (пунктир на рис. 3.51). Аналогично вдоль нагрузочной линии произойдет и выключение тиристора (пунктир В - А') при уменьшении напряжения. Точке В соответствует ток i_УД - удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора коллекторный переход оказывается смещенным впрямом направлении, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - в обратном. Ток через тиристор мал. С ростом отрицательного напряжения может произойти пробой эмиттерных переходов, однако, этот режим является нерабочим.
Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 3.52).

При подаче в цепь управляющего электрода тока i_У ток через эмиттерный переход ЭП1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (a ₁+ a ₂)» 1, будет достигаться при меньшем напряжения включения u_ВКЛ (рис.3.52б). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_У можно изменять величину напряжения включения u_ВКЛ. Некоторые маломощные тиристоры можно и выключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода. В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах (рис. 3.53,а). Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и называются семисторами (рис.3.53,б).

Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода (меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд - сотни микросекунд).

Дата добавления: 2014-01-06