Тиристоры. 
Электротехника и электроника

Общие сведения. Необходимость в мощных приборах со свойствами, близкими к свойствам идеального управляемого ключа (бесконечно большое сопротивление в запертом состоянии и нулевое сопротивление в проводящем состоянии с высоким быстродействием), исключительно велика. Применявшиеся ранее в качестве электронных коммутаторов газонаполненные тиратроны не удовлетворяли требованиям, но скорости переключений (время включения — десятки микросекунд, время выключения — сотни микросекунд) и потерям мощности внутри приборов (остаточные напряжения на них составляли десятки вольт). Широкому использованию транзисторов в ключевом режиме препятствуют малые рабочие напряжения (нс превышающие обычно 100 В).

В начале 50-х годов прошлого столетия после появления биполярного транзистора исследовалась четырехслойная структура типа р—п—р—п. Было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов. Приборы такого типа получили название тиристоров (ТИРатрон и транзИСТОР).

Тиристор — полупроводниковый прибор, который:

=> состоит из трех или более последовательно включенных р—//-переходов;

=> имеет два устойчивых состояния (открытое и закрытое) и может переключаться из одного состояния в другое.

По принципу своего использования в схемах тиристоры имеют много общего с тиратронами, однако их время переключения составляет деся;

тые и лаже сотые доли микросекунды при токах в сотни миллиампер (порядка 100—200 мА) и менее одной микросекунды при токах в десятки ампер (10−15 А), а остаточное напряжение на электродах в проводящем состоянии не превышает обычно 1−2 В.

Наибольшее распространение получила структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников р- и /7-типов. Различают два вида тиристоров:

=> неуправляемый тиристор, который называют диодным тиристором, диод-тиристором или динистором;

=> управляемый тиристор, который называют триодным тиристором, триод-тиристором или тринистором.

Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в структуре типа р—п—р₂—п_ъ в которой имеются выводы от двух крайних р- и /72-областей и от средней^{-области} (рис. , а). Представим четырехслойную структуру в виде двух транзисторов, разделив п- и //2-слои на две отдельные области и соединив их гальванической связью (рис. 1 , б). Отметим, что коллектором второго транзистора является область п" |, к которой подводится положительное напряжение, а эмиттером — область /7₂, к которой подводится отрицательное напряжение. Полученная структура представляет собой составной транзистор, в котором р—/т—//-транзистор включен по схеме с общей базой, а п—р—//-транзистор — по схеме с общим коллектором.

г.

Рис. 1. Четырехслойная структура с выводами от двух крайних р- и /ь-областей и от средней п -области (а) и ее представление в виде двух транзисторов (б).

Усиление, но току составного транзистора определяется соот ношением.

Несмотря на то что коэффициент усиления по току каждого из транзисторов (а' и а") меньше единицы, коэффициент передачи тока четырехслойной р—/т—р—//-структуры в целом может значительно превы;

шать единицу. Это обстоятельство свидетельствует о возможности использования четырехслойной структуры в ключевом режиме.

Рассмотрим особенности диодных и триодных тиристоров.

Динисторы. Диодный тиристор представляет собой двухполюсную четырехслойную р—п—р— «-структуру (рис. 2, я), в которой анод, А и катод К обеспечивают электрическую связь с внешней р- и //-областью соответственно. Его обозначение приведено на рис. 2,6.

Механизм переключения динистора из одного устойчивого состояния в другое связан с развитием лавинного процесса. Он достаточно сложен и объясняется с помощью энергетических диаграмм. Поэтому, воспользовавшись приведенным выше представлением четырехслойной структуры в виде двух транзисторов, дадим упрощенную трактовку процессов переключения в схеме.

Через эмиттерный переход первого р—п—/?₂-транзистора (рис. 2,а) дырки инжектируют из области р в область пи выполняющую роль базы для этого транзистора. Пройдя базу и коллекторный переход, инжектированные дырки появляются в коллекторе р₂ первого транзистора, создавая дырочный ток /_р = /рко + а]/, где /_;,_Ко — обратный дырочный ток коллекторного перехода; 0С| — коэффициент передачи тока I эмиттера первого транзистора.

Рис. 2. Динистор как четырехслойная структура (а) и его графическое обозначение (о); схема включения динистора (в) и его вольтамперная характеристика (г) Коллектор р2 первою транзистора одновременно служит базой второго транзистора Появление дырок в базе р₂ второго п₂—р₂—//|-транзистора приводит к образованию некомпенсированного объемного заряда. В результате понижается высота потенциального барьера р₂—^-перехода (база—эмиттер).

второго транзистора, что вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области п₂ второго транзистора в область fh- Эта область является базой дня второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный р₂—л]-переход и попадают в коллектор П второго транзистора, служащий одновременно базой первого р—щ—/72- транзистора. Значение электронного тока равно /" = /_;;К0 + а₂/, где /"ко — обратный электронный ток коллекторного перехода; а₂ — коэффициент передачи тока эмиттера-второго транзистора.

Поскольку дырки и электроны движутся навстречу друг другу, результирующий ток динистора.

где /кво — суммарный обратный ток тиристора, cti ⁼ otj + а₂ — суммарный коэффициент передачи тока эмиттера.

Решая (1) относительно /, получим.

Как видно из (2), при а^—" 1, /_н —> «>. Поэтому соотношение а? = 1 является условием переключения динистора. При av= 1 инжекция электронов в область п| приводит к появлению некомпенсированного объемного заряда, который, понижая высоту потенциального барьера р—п-перехода, вызывает встречную вторичную инжекцию дырок из области р в область rt. Затем процесс повторяется, и ток лавинообразно возрастает.

Описанные процессы определяют форму вольт-амперной характеристики (ВАХ) динистора в первом квадранте (рис. 2, г). На ВАХ можно выделить:

=> область с малыми значениями тока / при больших значениях напряжения U (нижняя ветвь ВАХ), которая соответствует закрытому состоянию динистора;

=> область с большими токами I при малых значениях напряжения U (верхняя ветвь ВАХ), которая соответствует открытому состоянию динистора;

=> область отрицательного дифференциального сопротивления, которая расположена между двумя первыми областями.

Точки 1 и 3 соответствуют условию = 1 и называются соответственно точками включения и выключения (удержания) динистора.

При изменении полярности напряжения, приложенного к динистору, на обратную (рис. 2,а) переходы р—п и р₂—п₂ сманены в обратном направлении. Поэтому в третьем квадранте ВАХ динистора имеет вид обратной ветви характеристики полупроводникового диода с двумя облас;

тями ВАХ: областью высокого сопротивления и областью пробоя (рис. 2, г).

Рассмотрим процессы переключения динистора в схеме на рис. 2,в при изменении подводимого напряжения Е, для чего воспользуемся его вольт-амперной характеристикой / = F (U), на которую нанесем нагрузочную прямую U = ЕRI (рис. 2, г).

При плавном увеличении напряжения источника? от 0 до напряжения отпирания Е₀ ток в цепи мал. Эта область вольт-амперной характеристики (ВАХ) соответствует закрытому состоянию диодного тиристора. В точке 1 ВАХ напряжение на динисторе достигает напряжения включения ?/_вкл. Динистор переходит в открытое (точка 2 на ВАХ), которому соответствует большой ток (/_вкл) и малое остаточное напряжение (U^j). При Е> Е_с ток и напряжение на динисторе соответствуют верхней ветви ВАХ. При уменьшении напряжения источника до Е = ?₃ ток и напряжение на динисторе также соответствуют прямой ветви ВАХ. В точке 3 ВАХ динистор переходит в закрытое состояние (т. 4, U = U_BblKл). При Е < E_t ток и напряжение на динисторе соответствуют нижней ветви ВАХ.

Тринисторы. В триодиом тиристоре для изменения его состояния помимо анода и катода имеет дополнительный управляющий электрод УЭ, который подключается либо к ближайшей к катоду /ъ-области, либо к ближайшей к аноду л_гобласти (рис. 3, д, в). В соответствии с этим различают катодное (более распространено) и анодное управление тиристором. Управляющий электрод дает возможность управлять током близлежащего эмиттера (п₂ или р). Для этого на него подается напряжение такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. Таким образом, в тринисторе процессы отпирания и запирания осуществляются не за счет изменения приложенного между анодом и катодом напряжения внешнего источника (как у динистора), а за счет изменения напряжения на УЭ или протекающего через нет тока /_у.

На рис. 3, б, г приведены условные обозначения тринисторов с катодным и анодным управлением, а на рис. ЗД — ВАХ тринистора. Как видно из рис. ЗД с возрастанием управляющего тока /_у уменьшается напряжение включения тринистора 6/_вкл, и при достаточно большом значении /_у вид прямой ветви ВАХ тринистора аналогичен прямой ветви ВАХ диода. При /_у = 0 триодный тиристор «вырождается» в диодный.

Таким образом, управляющий электрод шрает роль «поджигающего» электрода. Подачей на него импульса тринистор переводится в открытое состояние, при этом УЭ теряет управляющие свойства. Для выключения.

тринистора необходимо снизить ток до величины, меньшей /_выкл (рис. 3,<)). Отметим, что выпускаю гея запираемые триодные тиристоры, ко торые выключаются с помощью коротких по длительности импульсов напряжения обратной полярности.

Рис. 3. Тиристоры с катодным и анодным управлением (а, б, в, г) и принцип управления (с)).

Основная область применения тиристоров — преобразовательная техника. Номинальные значения токов некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии — до 5000 В [18].