Принцип роботи тиристора

Почергове об’єднання напівпровідників різного типу провідності у чотиришарову структуру призводить до утворення трьох p/n -переходів.

Рис. 3. Будова тиристора та під’єднання зворотної напруги до тиристора

Під’єднання зворотної напруги приводить до відкриття переходу П₂ . Зворотну напругу витримують p/n -переходи П₁ і П₃. У процесі виготовлення тиристора напруга електричного пробиття переходу П₃ значно менша напруги пробиття переходу П₁. Тому під час під’єднання зворотної напруги перехід П₃ вступає в стан електричного пробою і всю зворотну напругу витримує тільки перехід П1.Зворотна вітка вольтамперної характеристики буде така ж як і напівпровідникового діода (див. рис. 4).

Рис. 4. Під’єднання прямої напруги до тиристора

Рис. 5. Вольтамперна характеристика тиристора

Під час під’єднання до тиристора прямої напруги ("+" до анода, "-" до катода) переходи П₁ і П₃ зміщуються у прямому напрямку (майже відкриваються), а П₂ – у зворотному, тобто зовнішнє електричне поле підсилює перехід П₂. Вся напруга прикладена до П₂.

Спершу розглянемо випадок, коли І_кер=0. В цьому випадку тиристор можна розглядати як два транзистори p₁-n₁-p₂ та n₂-p₂-n₁. Для першого транзистора (p₁-n₁-p₂) перхід П₁ – це емітерний перехід. Для другого транзистора (n₂-p₂-n₁) емітерним переходом буде перехід П₃. Перехід П₂ буде колекторним переходом для обох транзисторів. Зауважимо, що полярність напруг на обох переходах названих транзисторів відповідає тій, яка необхідна для роботи обох транзисторів у підсилювальному режимі.

Нехай a₁ – коефіцієнт передачі першого транзистора; І_е1 – емітерний струм першого транзистора; a₂ – коефіцієнт передачі другого транзистора; І_е2 – емітерний струм другого транзистора. Згідно теорії транзистора (1-a₁)×І_е1 – струм бази транзистора Т₁; a₁ І_е1 - струм колектора транзистора Т1;

(1-a₂)×І_е2 – струм бази транзистора Т₂; a₂×І_е2 - струм колектора транзистора Т₂.

Струм у тразисторі Т₁ створюється в основному за рахунок дірок, струм у транзисторі Т₂ створюється за рахунок електронів. Технологією виготовлення забезпечується наступна залежність коефіцієнтів a₁ та a₂ від струму тиристора

Рис. 6. Залежність коефіцієнтів a₁ та a₂ від струму тиристора

Якщо напруги на приладі незначні, то струм через тиристор малий, a₁ та a₂ близькі до нуля, тобто a_1×І_е1 »0, a₂×І_е2»0. Струм через перехід П₂ визначається неосновними носіями І_ко=І_к=І_а . (Тут і надалі струм струм через перехід П₂ за рахунок неосновних носіїв позначатимемо І_к ). Частина характеристики від 0 до б по суті є оберненою віткою вольтамперної характеристики переходу П₂. Із зростанням анодної напруги відповідно зростає напруга на колекторному переході, що призводить до зростання струму І_к, а також до зростання анодного струму І_а. Збільшення струму через прилад призводить до збільшення коефіцієнтів a₁ та a₂. На ділянці б-в складові струму a₁×І_е1 і a₂×І_е2 мають істотний вплив. Струм через прилад І_а можна знайти визначивши струм через перехід П₂

І_П2 = І_а = a₁×І_е1 + a₂×І_е2+І_к. (1)

В любому перетині приладу за умови І_кер=0 протікає один і той же струм І_а (І_е1=І_е2=І_а)

І_П2 = І_а =(a₁ + a₂)×І_а +І_к.

З останнього виразу отримаємо І_а =. (2)

Отже, на ділянці 0 – б коефіцієнти незначні, їхня сума a₁ + a₂ » 0, струм через прилад визначається неосновними носіями зарядів І_а= І_к . На ділянці

б – в струм І_а зростає за рахунок струму І_к та зростання суми a₁ + a₂. Однак (a₁ + a₂)<1.

Точка ²в² є граничною точкою, а напруга на приладі називається напругою перемикання. Із наближенням до точки струм зростає за рахунок a₁×І_е1 і a₂×І_е2 . Складова струму (a₁ + a₂)×І_а переважає і подальше зростання І_а приводить до зменшення І_к, а значить до зменшення напруги на П₂ і відкриття приладу.

Зменшення напруги на переході П₂ пояснюється тим, що збільшення складових a₁×І_е1 і a₂×І_е2 викликає збільшення потоку електронів в n₁ -базу і збільшення потоку дірок в р₂ -базу. Поява в базах надлишкових носіїв зарядів знижує потенціальний бар’єр переходу П₂ і відбувається відкриття приладу. Одночасно знижуються потенціальні бар’єри переходів П₁ і П₃, що викликає додаткову інжекцію зарядів. Зростають коефіцієнти a₁, a₂; в наступний момент відбувається лавиноподібне зростання струму і перехід тиристора у відкритий стан. Ділянка г-д – відкритий стан тиристора.

У точці ²г² напруга на переході П₂ рівна нулю, тобто струм за рахунок неосновних носіїв зарядів І_к=0; (a₁ + a₂)£ 1. Напруга на приладі U_a в точці ²г² дорівнює сумі напруг на переходах П₁ і П₃ та становить 0,75…1,5 В.

Поведінка тиристора за умови І_кер¹0.

В цьому випадку струм емітера першого транзистора І_е1=І_а; струм емітера другого транзистора І_е2=І_а +І_кер. Струм переходу П₂ згідно (1)

І_п2=І_а = a₁×І_е1 + a₂×І_е2 +І_к. Підставляючи у останній вираз замість І_е1 і І_е2 їхні значення, отримаємо наступну залежність

І_а = a₁×І_а + a₂×(І_а+І_кер)+І_к.

Струм через прилад відповідно дорівнює

І_а = (3)

Відкриття тиристора відбувається напругою меншою за напругу пермикання завдяки складовій струму a₂×І_кер. За деякого значення струму І_кер пряма вітка вольтамперної характеристики тиристора наблизиться до характеристики напівпровідникового діода. Перевід тиристора у стан високої провідності за допомогою напруги перемикання використовується тільки у динисторах. В тиристорах у закритому стані струм керування І_кер=0. Напруга джерела менша напруги перемикання. В заданий момент часу подають керуючий імпульс І_кер¹ 0, який дещо більший струму спрямлення. Тиристор відкривається і струм визначається опором навантаження

І_а=(U_a-DU_a)/R_a. (4)

Сьогодні тиристори випускаються на діапазон прямих струмів від десятків міліампер до струмів більших 1000 А і напруги від десятків вольт до кількох кіловольт.

Для переводу тиристора у стан низької провідності необхідно прикласти між анодом і катодом від’ємну напругу (зворотню напругу) протягом часу, який більший номінального часу вимкнення тиристора t_вимкн, або зменшити струм приладу до І_а< І_утр. Останнє означає, що тиристор не може працювати у режимі неробочого ходу.

Дата добавления: 2014-01-07