Тиристоры. 
Основы электротехники, микроэлектроники и управления в 2 т. Том 2

Тиристор — трёхэлектродный полупроводниковый управляемый прибор с тремя р-n переходами и двумя устойчивыми состояниями.

Тиристор может быть переключен с закрытого состояния в открытое и наоборот. Различают управляемые (триодные) и неуправляемые (динисторы) тиристоры. Рассмотрим управляемый тиристор.

Основу такого тиристора составляет четырёхслойная структура типа р-п-р-п (рис. 6.12, а), образующая три р-n перехода (ГД, ГД, Пз), включенных последовательно.

Два крайних из них ГД и Пз называются эмиттерными, а средний ГД — коллекторным р-n переходами. Средние облас;

Рис. 6.12. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы включения управляемого тиристора ти р2 и П2 между р-п переходами называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней п- областью, называется катодом К, а электрод, обеспечивающий связь с внешнейр-областью — анодом А.

К базе, обладающей структурой рг, присоединяется уп равняющий электрод УЭ.

На рис. 6.12, б показана принципиальная схема включения и условное обозначение тиристора VS.

Свойства управляемого тиристора, так же как и свойства неуправляемого полупроводникового диода, определяет его вольт-амперная характеристика, которая представлена на рис. 6.13. Можно выделить пять наиболее характерных участков на вольт-амперной характеристике.

Участок ОА характеризует закрытое состояние прибора, на этом участке увеличение анодного напряжения оказывает незначительное влияние на величину тока прибора.

Участок АБ — переходный участок от закрытого в открытое состояние.

Участок БВ соответствует процессу переключения тиристора (неустойчивая часть характеристики открытого состояния тиристора).

Участок ВГ является рабочим, он характеризует полностью открытое состояние тиристора.

Рис. 6.13. Вольт-амперная характеристика тиристора: U"_pH — прямое номинальное напряжение; U_mp — напряжение переключения при 1_>Г1р=0 равном нулю; U^, — обратное номинальное напряжение; 1_У" — номинальный ток управления; 1_отк, — ток, при котором запирается тиристор; /" - номинальный ток тиристора; U_npoe — напряжение пробоя; U_af>_pm — обратное амплитудное напряжение.

Участок ОД — обратная ветвь вольт-амперной характеристики (закрытое состояние тиристора), соответствует состоянию тиристора, когда к нему приложено напряжение обратной полярности.

При подаче на электроды тиристора прямого напряжения U_np, при токе управлениям 1_У = 0 напряжение перераспределится между всеми тремя переходами пропорционально их сопротивлениям. При этом к переходам П1 и Пз приложено прямое напряжение, поэтому они находятся в открытом состоянии. К переходу П2 приложено обратное напряжение, поэтому он будет закрыт, поскольку обладает большим сопротивлением. При этом происходит инжекция носителей заряда через эмиттерные переходы в соответствующие базы, вследствие чего в цепи коллекторного перехода будет протекать ток:

где а/, а₂ — коэффициенты передачи тока первого и второго эмиттерного переходов соответственно; 1_ко — ток коллекторного перехода, создаваемый движением неосновных носителей заряда, генерируемых в базах.

Так как коллекторный переход является частью замкнутой электрической цепи, то анодный ток во внешней цепи будет равен току через коллекторный переход 1_а~Е- Тогда выражение для тока можно представить в следующем виде:

откуда имеем:

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

где М — коэффициент лавинного размножения.

Если прямое напряжение мало, то а/ и а.2 также невелики и /_а= ho (участок ОА на рис. 6.13).При увеличении анодного напряжения возникает лавинная ионизация в коллекторном переходе, и ток коллекторного перехода начинает увеличиваться (участок вольт-амперной характеристики АБ). В этом случае анодный ток во внешней цепи определяется по выражению:

I.

По мере роста прямого напряжения происходит увеличение коэффициента лавинного размножения и произведение (oti+ot2)M возрастает, стремясь в пределе к единице. При этом анодный ток должен возрастать до бесконечности, однако, его рост ограничивается нагрузочным резистором Я# во внешней цепи. При увеличении тока возрастает падение напряжения на нагрузочном резисторе, а напряжение на тиристоре U_а уменьшается (участок БВ), так как U_a=E_a — 1_а Яд;

Возможность уменьшения U_a при увеличении тока 1_а обусловлена тем, что с ростом тока растут и коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов а/ и о5. При этом напряжение падает до такой величины, при которой произведение (а/ +Ы2)М стремится к 1 и коэффициент М стремится к 1, поэтому дальнейшее увеличение тока 1_а возможно только с ростом напряжения 0_а, (т.е. с увеличением Е_а или уменьшение Rh).

При подаче положительного управляющего сигнала 1_У на управляющий электрод тиристора инжекция основных носителей заряда в базе через эмиттерные переходы возрастает;

при этом возрастает коэффициент передачи тока аувеличение которого приводит к лавинообразному нарастанию тока в цепи и при (2)M=l тиристор откроется.

Вследствие увеличения тока управления значительно снижается напряжение переключения U_nep, ток в цепи тиристора при этом определяется выражением:

При возрастании тока управления до номинальной величины 1_ун, равной току спрямления 1_спр, вольт-амперная характеристика тиристора приближается по виду к прямой ветви этой же характеристики обычного неуправляемого полупроводникового диода (рис. 6.5).

Следует указать на принципиальное отличие триодного тиристора от обычного транзистора, которое заключается в том, что при включенном состоянии тиристора отключение управляющего тока не вносит изменений в процесс протекания анодного тока. Так как базы тиристора заполнены неравномерными носителями зарядов, которые обеспечивают взаимную встречную, инжекцию от эмиттерных переходов.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое может быть осуществлён подачей на его анод прямого напряжения, превышающего напряжение переключения U_nep; подачей на управляющий электрод (УЭ) сравнительно небольшого управляющего напряжения U_y (4−8 В). При этом к управляющему электроду присоединяется плюс источника управляющего сигнала, а к катоду — минус, при положительном напряжении на аноде тиристора. В этом случае в цепи перехода Пз будет протекать небольшой ток управления; при этом электроны будут направлены от катода к управляющему электроду, а дырки — в обратном направлении (рис. 6.12).

Так как напряжение источника питания значительно больше напряжения управления U_y, то часть электронов по пути к электроду УЭ будет отклоняться и приближаться к среднему переходу Пг, а находящиеся вблизи этого перехода дырки будут приближаться к катоду, создавая в цепи перехода П.2 обратный ток.

С возрастанием тока управления растет обратный ток; при этом переход Пг теряет свои запирающие свойства, пробивается и от анода к катоду тиристора проходит прямой ток 1″_р, величина которого практически ограничена только нагрузочным сопротивлением R_H, так как падение напряжения в открытом тиристоре мало и не превышает 0,5−1,2 В.

Для осуществления запирания тиристора необходимо снизить анодный ток до величины, меньшей тока отключения 1откл? Это достигается кратковременным снижением анодного напряжения, изменением полярности анодного напряжения или отключением анодной цепи.