Основные физические процессы. 
Принцип действия

Рассмотрим основные процессы на примере диодного тиристора, ВАХ которого соответствует рис. 5.1, в при /_у = 0.

В режиме обратного запирания переходы П₁ и П₃ (см. рис. 5.1, а) смещены в обратном направлении, а переход П₂ — в прямом. Если распределение примесей в областях тиристора соответствует рис. 5.1, б, то переход П| будет значительно толще, чем П₃ (см. п. 2.2), и большая часть напряжения, создаваемого на тиристоре протекающим током /, падает на переходе П_г В зависимости от размеров области п_х и напряжения на ней толщина обедненного слоя занимает либо часть, либо всю область п₁. В последнем случае происходит смыкание переходов П| и П₂. Ток на участке 0—4 ВАХ определяется сопротивлениями обратносмещенных переходов П, и П₃. Допустимое падение напряжения на тиристоре ограничивается ударной ионизацией в переходе П| и смыканием базы я, Напряжение пробоя в тиристоре ниже напряжения пробоя обратносмещенного изолированного эквивалентного р—п перехода П, Это обусловлено тем, что в тиристоре переход П, связан с соседним переходом П₂ и образует транзистор р,—л₁—р₂ с разомкнутой базой, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Напряжение пробоя (С/_проб) уменьшается из-за влияния этого транзистора (см. п. 4.3).

В режиме прямого запирания напряжение на аноде положительно по отношению к катоду, переходы П, и П₃ смещены в прямом направлении, а переход П₂ — в обратном. Падение напряжения между анодом и катодом тиристора равно сумме падений напряжения на переходах, т. е. V_А = 11₁ + и₂ + и_з. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе П₂ и лишь незначительная — на переходах П_х и П₃. Для понимания характеристик в рассматриваемом режиме воспользуемся двухтранзисторной моделью тиристора, в которой тиристор рассматривается как соединение р—п—р и п—р—л транзисторов. Коллектор каждого из этих транзисторов соединен с базой другого (рис. 5.2). Здесь.

Рис. 5.2.

представлена двухтранзисторная модель для триодного тиристора (рис. 5.2, а — структурная схема, рис. 5.2, б — схемное включение). Переход П₂ является коллектором для дырок и электронов, инжектируемых соответственно из области р, и п₂. Полный ток, протекающий через переход П₂, определяется токами инжекции этих носителей и собственным обратным током (см. п. 2.3).

При разомкнутой цепи управляющего электрода токи инжекции через переходы П₁ и П₃ в основном ограничены малым прямым напряжением на них из-за большого сопротивления обратносмещенного перехода П₂. Пользуясь соотношениями п. 4.2, можно составить выражение для тока базы транзистора УТ₁ (см. рис. 5.2, б):

Здесь а, — статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора УТ,; /_К01 — обратный ток перехода коллектор — база транзистора УТ_Р Ток /_Б1 протекает через коллектор транзистора УТ₂ (см. рис. 5.2, б) и /_Б1 = /_К2.

С другой стороны, коллекторный ток /_К2 транзистора УТ₂ можно определить через ток катода /_к из известного выражения (см. п. 4.2):

где а₂ — статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора УТ₂; /_К02 — обратный ток коллекторного перехода транзистора УТ₂. Если в цепи управляющего электрода протекает ток /_у, то ток катода равен /_к = /_А 4- /_у. Учитывая это равенство и приравняв выражения (5.1) и (5.2), получим.

где /_ко — /_К01 + /_К02;

Если напряженность электрического поля в переходе П₂ достаточна для размножения носителей за счет ударной ионизации (см. п. 2.3), а I = 0, то соотношение (5.3) можно записать в виде.

где М — коэффициент размножения носителей.

Поскольку М = /({/) ий! ₂ = ₂(?/), ^то формулы (5.3) и (5.4).

описывают статическую БАХ тиристора при напряжениях на аноде, меньших или равных 1/_вкл. Коэффициенты а_х и а₂ сильно зависят от величины тока. На участке 0—1 ВАХ (см. рис. 5.1, в), пока ток и напряжение анода невелики, (а! + а₂) <1 и анодный ток определяется током /_ко. С повышением напряжения на аноде возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П₁ и П₃, что приводит к увеличению инжекции через эти переходы и росту а, и а₂. Дырки, инжектированные из области р₁, проходят через переход П₂ и повышают потенциал базы р₂ за счет неравновесного положительного заряда, что увеличивает инжекцию электронов из области п₂. Эти электроны, попадая в базу п_1 $ снижают ее потенциал, увеличивая тем самым инжекцию из области р_х. В результате в тиристоре возникает положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению анодного тока при некотором напряжении и = 1/_вкл.

При и = Г/_вкл выполняется соотношение (а, + а₂) — 1. При лавинообразном нарастании анодного тока через переход П₂ протекает значительный ток, и его сопротивление резко падает. Напряжение источника питания перераспределяется таким образом, что падение напряжения на резисторе в анодной цепи (см. рис. 5.1, а) возрастает, а напряжение на аноде тиристора уменьшается в соответствии с соотношением и_А = Л_А — ІЯ. Тиристор переходит в режим, соответствующий участку 1—2 ВАХ (см. рис. 5.1, в), который в области точки 2 является неустойчивым. Переход из этого режима в режим прямой проводимости (участок 2—3 ВАХ) происходит, как правило, скачком. На участке 2—3 ВАХ переход П₂ из-за неравновесного заряда, накопленного в базах, открывается и переходит в режим насыщения. В этом режиме проводимость тиристора велика, а падение напряжения на нем мало. Оно определяется суммой падений напряжений на трех прямосмещенных р—" переходах П_р П₂, П₃, падением напряжения на базах, р_х- и л₂-областях и выводах (см. рис. 5.1, а). Суммарное падение напряжения на включенном тиристоре составляет 1…2 В.

Рассмотрим особенности включения тиристора при наличии размножения носителей в переходе П₂. Если предельные величины (X, и а₂ малы, напряжение на переходе П₂ может достигнуть величины ?/_проб. В этом случае носители заряда, перемещающиеся через переход П₂, приобретут энергию, достаточную для лавинного умножения. Дырки, рожденные в переходе, добавляются к дыркам, инжектированным через переход П_1э и перемещаются к переходу П₃, электрическое поле которого является ускоряющим для них. Электроны двигаются в противоположном направлении, т. е. к аноду. В результате рождения в переходе П₂ пар зарядов проводимость его увеличивается, а сопротивление падает, что приводит к уменьшению падения напряжения и₂ на нем и увеличению напряжения на переходах П| и П₃. Это, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок и электронов из областей р_х и л₂, т. е. размножение носителей в переходе П₂ идет еще более интенсивно, и далее процесс повторяется. Таким образом, число носителей, перемещающихся через прибор, лавинообразно увеличивается, коэффициенты оц и а₂ растут, произведение М (а, + а₂) в (5.4) приближается к единице и происходит включение тиристора.

Для коэффициента умножения М в зависимости от приложенного напряжения и и напряжения пробоя (У_проб перехода П₂ можно воспользоваться эмпирическим соотношением вида М = [1 — <�С//С/_проб)^т]-¹, где принято 1/ = (/_вкл. Тогда М (а_{ + а₂) = ⁼ (^а1 + а₂)[1 — (^вкл/^проб)^я1″ ¹ = Напряжение включения ?/_вкл, вычисленное из последнего выражения, определяется следующей формулой:

где т — некоторое число, зависящее от параметров и устройства тиристора.

Из (5.5) видно, что С/_вкл всегда меньше напряжения пробоя перехода П₂, что обусловлено наличием положительной обратной связи в тиристорной структуре. При а, = 0,4, а₂ = 0,15, (/_проб = 66 В и т = 4 напряжение включения С/_вкл = 45 В.

После того как тиристор включился, все три перехода смещены в прямом направлении, т. е. оба эквивалентных транзистора находятся в режиме насыщения. Участок 2—3 ВАХ определяется свойствами трех последовательно соединенных и прямосмещенных р—л-переходов.

Рассмотрим теперь механизм переключения триодного тиристора при подаче прямого смещения на управляющий электрод УЭ! (см. рис. 5.1, а), когда напряжение на переходе П₂ меньше ?/_про6. Если в цепи управляющего электрода протекает ток /_у, будет происходить увеличение инжекции через переход П₃, рост а₂ ит. д., т. е. при меньшем анодном напряжении ток анода достигнет значения, при котором а_г + а₂ > 1, и тиристор включается. Таким образом, тиристор представляет собой управляемый ключевой прибор (см. рис. 5.1, в).

При работе тиристора в цепях переменного тока и напряжения необходимо учитывать динамические процессы. Рассмотрим особенности включения тиристора в режиме малых сигналов. Будем считать, что переменный сигнал подается в цепь управляющего электрода.

Дифференцируя соотношение (5.3) и используя вместо статических коэффициентов а₁ и а₂ дифференциальные коэффициенты передачи тока и а₂, в режиме малого сигнала (а = Л_21Б, см. п. 4.4) получим следующее равенство:

Из этого выражения следует, что условие включения тиристора с1/_Л/<1/_у —*• ⁰⁰ выполняется, если сумма малосигнальных (дифференциальных) коэффициентов, а стремится К единице, Т. е. + + а₂ = 1. Коэффициенты а₁ и а₂ зависят от токов и напряжений на переходах (см. п. 4.4), например, согласно выражению (4.23) а₂ =.

Рис. 5.3.

Подача положительного сигнала Ы_{у к} на УЭ (рис. 5.3, а) будет вызывать увеличение а₂ за счет тока /_у, так что сумма а₁ + а₂ 1. Наиболее простым способом увеличения дифференциального коэффициента.

при нарастании тока в цепи управляющего электрода является шунтирование перехода П₃ посредством добавочного резистора Н_т (см. рис. 5.3, а). При малых напряжениях и_уК ток /_у в основном протекает через резистивный шунт Я_ш, минуя базу, и статический коэффициент а₂ уменьшается. По мере увеличения управляющего напряжения 11_уК растет и доля тока, втекающего в базу УТ₂, инжекция носителей через переход П₃ становится больше, ток /, увеличивается, и коэффициент а₂ возрастает (см. рис. 5.3, б). Для транзистора п₂—р₂—п_х при наличии шунта (см. рис. 5.3, а) коэффициент передачи тока а_2эф = а₂1₁/(1_} 4- /_ш). Ток через переход П₃ /₁ «~ /₀ехр (?/_уК/<�р_г), а через шунт /_ш = и_уК/Я_ш. Если допустить, что а₂ зависит от /₁ согласно кривой 1 на рис. 5.3, б, то зависимость а₂эф ^от Л будет соответствовать кривой 2 (для Л_ш = = 5 • 10³ Ом). В результате а_2эф увеличивается за счет одновременного возрастания а₂ и произведения.

что и вызывает переключение тиристора. На практике шунт формируется за счет частичного перекрытия катодным контактом области р₂

(рис. 5.3, в). Такой тиристор называется тиристором с закороченным катодом. Следовательно, включением тиристора можно управлять, изменяя напряжение 17_{у к} (ток /_у) (см. рис. 5.1, в).