Структура и принцип действия тиристоров

Различные схемы ключей и прерывателей в цепях управления выполняют на полупроводниковых приборах типа газотронов и тиратронов (находят широкое применение в различных цепях управления), которые впервые появились в 1956—1957 гг. Таким приборам присвоено общее название — тиристоры. Двухэлектродные тиристоры называют динисторами (или диод-тиристор), а трехэлектродные — тринисторами (или триод-тиристор), общее обозначение которых на электрических схемах (по ГОСТ 2.730—73) соответствует первым двум на рис. 3.31, среди тиристоров различают также незапираемые, запираемые и двунаправленные симисторы.

Рис. 3.31. Условные графические обозначения тиристоров.

Рассмотрим принцип работы динистора. При напряжении, обратном показанному на рис. 3.32 а, П_х, П₃ — закрытые переходы. При прямом включении П, и П₃ открыты, П₂ закрыт и его обратный ток протекает через прибор. Такую схему можно представить в виде рис. 3.32, бив. Эти приборы имеют на ВАХ участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3.33), причем при малых напряжениях через прибор протекает небольшой обратный ток 1_ко2.

Рис. 3.32. Структура и эквивалентные схемы динистора.

Практически все напряжение прикладывается к запертому «коллекторному» переходу П₂. Первая часть ВАХ аналогична обратной ВАХ диода и с ростом прямого напряжения растет и на эмиттерных переходах. При этом электроны, инжектированные из n-эмиттера П₃ в р-базу, диффундируют к р-п-переходу коллектора, проходят его и попадают в n-базу VTp Дальнейшему прохождению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер нижнего (П₃) эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов, оказавшихся в потенциальной яме п-базы, образуют избыточный отрицательный заряд, который понижает высоту потенциального барьера П₃, вызывая рост инжекции дырок из р-эмиттера в п-базу VT₂. Аналогичный процесс происходит и у перехода П₃, но здесь возрастает инжекция дырок из р-эмиттера в р-базу VT_X. В результате накопления избыточных зарядов в пи р-базах происходит (при напряжении П_пер) резкое увеличение тока через тиристор и одновременное уменьшение падения напряжения на приборе.

Рис. 3.33. Вольт-амперная характеристика динистора.

Для количественной оценки физических процессов, происходящих в приборе, представим его в виде двух транзисторов (см. рис. 3.32, в): первый p-n-p-типа с эмиттером, образованным переходом 1 и коллектором — переходом 2 УТ_Х; второй п-р-п-типа с эмиттером — переход 3 и коллектором — переход 2 VT₂. Полный ток через общий коллекторный переход 2 обусловлен токами первого ос_г1_г и второго эмиттеров а₂/₂ и током 1_К0 перехода, т. е. 1 = ^1^ + а₂/_э2 — J₀ [exp (t/_K/cp_m) — l], откуда.

При малых прямых напряжениях через прибор протекает /_к0 перехода 2 и дифференциальное сопротивление прибора велико (1 -й участок). С ростом прямого смещения вблизи точки Л наблюдается резкое увеличение тока прибора из-за лавинного умножения в переходе 2. При этом общий ток оценивается как и в случае лавинного транзистора с ОЭ I = М/_к0/(1-Ма), а ВАХ имеет вид, аналогичный рис. 3.23, причем точки А и В называют точками прямого и обратного переключения. Дифференциальное сопротивление в точке А стремится к нулю.

Напряжение и ток в точке А называются кроме того напряжением Н_пер и током переключения /_пер. Дальнейшее возрастание тока сопровождается уменьшением падения напряжения (участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением 2). Объясняется это тем, что электроны, эмитированные в базу в первом транзисторе, перебрасываются полем второго перехода и компенсируют положительный заряд в базе транзистора VT₂. Аналогично дырки, инжектированные третьим переходом, компенсируют отрицательный заряд в базе первого транзистора. В результате тока инжекции обоих эмиттеров сопротивления перехода 2 уменьшается и уменьшается сопротивление всего прибора. Минимальное падение напряжения U_OCT = 0,8-^ 1,5 В наблюдается в точке В обратного переключения 7_выкл. Дальнейший рост тока почти не сказывается на величине остаточного напряжения (участок 3).

Таким образом, прибор может находиться в двух состояниях устойчивого равновесия на участке 1 с малым током и большим напряжением (на нем R_{ велико) и на участке 3 с большим током и малым напряжением CR,-—" 0), поэтому его можно использовать в качестве ключа.

Из рассмотрения ясно, что если изменить зависимость ос =/(/), при прочих неизменных условиях, появляется возможность управления напряжением включения. Такой режим реализуется, если осуществить невыпрямляющий контакт с одной из базовых областей четырехслойной структуры.

Подавая небольшое положительное смещение на соответствующий эмиттерный переход, можем изменить ток, протекающий через эту «транзисторную структуру» и тем самым ток через диод и зависимость ос от общего тока. Это приведет к изменению напряжения включения и даст возможность управлять параметрами диода, меняя смещение на управляющем электроде. Для уменьшения величины управляющего тока, являющегося рекомбинационным током, необходимо иметь высокий коэффициент переноса для соответствующей базы (т. е. сделать ее тонкой w_p": L_n). Вид такой структуры приведен на рис. 3.34.

Рис. 3.34. Структура тринистора.

Полагая здесь а_х": 1 (так как co_n«c L_p), а ос₂ ~ 1, можем записать, что ток через коллекторный переход П₂ / = аД + /_к0 + (I + /_б)а₂, откуда.

где (3₂ — значение коэффициента передачи тока п-р-п-структуры при включении по схеме с ОЭ. Последнее выражение показывает, что ток через четырехслойную структуру быстро растет с ростом управляющего тока базы, потому что величина коэффициента передачи тока является функцией тока и растет с его увеличением.

Как и в случае динистора, определяющим является суммарное значение коэффициента передачи тока, а = а_а + а₂. Наличие тока базы /_б не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ, но меняет значения параметров, характеризующих свойства прибора.

На рис. 3.35 приведено семейство ВАХ управляемого четырехслойного тиристора типа р-п-р-п, типовая схема включения и ее рабочий цикл.

Поясним рабочий цикл прибора. Если напряжение на коллекторе меньше напряжения прямого переключения (Е_к < П_пп0), то при /_б = 0 (в запертом состоянии) рабочая точка а находится на устойчивом участке 1. Если увеличить /_б до величины hi, рабочая точка скачкообразно перейдет в положение Ъ (открытое состояние), причем падение напряжения на нем составит всего около 1 В, как и в динисторе. Ток нагрузки определится отношением E_K/R_K.

Для того чтобы запереть тринистор (вернуть его в точку а), нужно или уменьшить рабочий ток до величины 1_К < 1_0П (ток обратного переключения) понижением питающего напряжения до Е_к1 при неизменном сопротивлении нагрузки, либо подать в базу импульс тока отрицательной полярности, если это запираемый тиристор. В первом случае рабочая точка скачком переходит из Ь_г в а₂, а затем (после восстановления ЭДС Е_к) в исходную точку а.

Рис. 3.35. ВАХ и схема включения тринистора.

Во втором случае из точки b происходит скачок в точку а₃, а затем (по окончании запирающего импульса) возвращение в точку а.

Из рассмотренных свойств тиристоров можно заключить, что они могут использоваться для включения и выключения тока через реле, электродвигатели, лампы накаливания, для создания мощных импульсов за счет разряда конденсаторов, а также для управления током через другие силовые нагрузки (т. е. являются ключевыми элементами). На тиристорах реализованы устройства: фазового регулирования; защиты от перенапряжений; генераторы пилообразного напряжения; делители частоты; мультивибраторы; тригеры; генераторы ступенчатого напряжения; счетчики импульсов; стабилизаторы; генераторы импульсов; различные схемы прерывателей.

Отметим, что через тиристор в выключенном состоянии проходит лишь незначительный ток утечки, а в проводящем состоянии — значительный ток (достигающий 2000 А) при незначительном остаточном напряжении (не превы-шающем десятых долей и единиц вольт).

Динисторы включаются в проводящее состояние при подаче на них напряжения, больше «напряжения включения» и остаются в этом состоянии до тех пор, пока ток не уменьшится до уровня «тока выключения» или не снимется анодное напряжение.

Запираемые тиристоры могут выключаться не только при уменьшении анодного тока, но и при подаче на управляющий электрод запирающего импульса тока (второй из вариантов выключения).

Симметричные тиристоры могут включаться при подаче управляющего импульса не только при прямом, но и при обратном напряжении на аноде. Поэтому они могут работать в цепях управления переменным током. Структура симистора и его ВАХ приведена на рис. 3.36.

Можно отметить, что здесь имеются пять областей с чередующимся типом электропроводности. Причем крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями р-областей (р_г и р₂).

Такую структуру можно представить в виде двух тиристоров, включенных встречно и шунтирующих друг друга. Достигая технологической симметрии слоев, получают и симметричную ВАХ при различных полярностях приложенного напряжения.

Рис. 3.36. Структура и ВАХ симистора.

Как и тринистор, его можно дополнить в одной из p-областей невыпрямляющим контактом с соответствующим управляющим выводом и тем самым сделать симистор управляемым.

Основные параметры тиристоров:

• • напряжение и ток переключения U_nep = 10-J-3000 В, /_пер = 1 -ь 10 мА;
• • напряжение и ток выключения U_0CT = 0,2-ь 2 В; 1_ВЫКЛ = 5,0-ь 20 мА;
• • обратный ток и обратное напряжение U_o6p = 50-ь 1200 В; /_обр < 0,5 мА;
• • ток управления _р = 5,0-ь400 мА;
• • максимальный рабочий ток /_тах = 0,05 -ь 2000 А;
• • время включения 0,1 -ь1 мкс;
• • время выключения 10-ь20 мкс.