Тиристоры, динисторы и симисторы
Тиристор — это полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную р-п-р-п-структуру, которая обеспечивает переключающие свойства прибора.
Полупроводниковая четырехслойная р-п-р-п-структура тиристора представлена на рис. 1.11, а. Она имеет два р-п-перехода, смещенных в прямом направлении, и один — в обратном. Условное графическое обозначение управляемого тиристора приведено на рис. 1.11, б.
Рис. 1.11. Структура р-п-р-п-тиристора с управляющим электродом (а),
его УГО (б) и ВАХ (в)
Вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис. 1.11, в. Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, соответствующих положению рабочей точки на его ВАХ: либо ниже прямой, характеризующей среднее значение тока Iср(тиристор закрыт), либо выше нее (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком, когда напряжение анод—катод превышает некоторое пороговое значение U1. На отрицательном участке ВАХ состояние прибора неустойчивое.
Если на управляющий электрод (У) подать положительное напряжение, на нем появляется ток срабатывания и тиристор переходит в проводящее состояние при более низком напряжении анод—катод (U2). При этом переходе сопротивление тиристора и ток, проходящий через него, изменяются в 106—107раз. При сопротивлении тиристора в закрытом состоянии примерно от 107Ом, ток в нем составляет около 10-6А (микроампер). В открытом состоянии ток в тиристоре составляет от 0,1 до 1,0 А. Таким образом, тиристор имеющий очень высокий коэффициент усиления по току и мощности, может быть хорошим ключевым устройством.
Динистор — это тиристор без управляющего электрода. Динисторы используются как электронные ключи, срабатывающие при превышении определенного напряжения.
В электронной аппаратуре используются также симметричные диодные динисторы и триодные тиристоры (симисторы), переключающиеся при прямом и обратном включениях.
Структура симметричного диодного тиристора — симистора (рис. 1.12, а, в) состоит из пяти областей полупроводника с чередованием типов проводимостей, которые формируют четыре р-п-перехода.
Рис. 1.12. Структуры симметричных диодного (а) и триодного (б) тиристоров, соответствующие УГО (в, г) и ВАХ диодного тиристора (д):
1...4 — переходы полупроводника
При подаче положительного напряжения на правый электрод, отрицательного — на левый на переходах полупроводника 1 и 3 будет прямое напряжение, а на переходах 2 и 4 — обратное. Напряжение на переходах 1 и 4 зависит от тока, проходящего через структуру: с ростом тока падение напряжения на них увеличивается и достигает значения, достаточного для смещения перехода 1 в прямом направлении, а перехода 4 — в обратном. В результате начинается инжекция электронов из п1-области в р1-область с последующим накоплением их в п2-области. Происходит и встречная инжекция дырок из р2-области через п2-область и накопление их в области р1. При этом область п3 не участвует в формировании тока, так как переход 4 смещен в обратном направлении.
Таким образом, работа п1-р1-п2-р2-структуры аналогична работе тиристора. При смене полярности подаваемого напряжения работает р1-п2-р2-п3-структура и протекающие в ней процессы также соответствуют тиристорным. Симметрия физических процессов при прямом и обратном включениях напряжения определяет симметрию ВАХ диодных тиристоров (рис. 1.12, д).
У симметричного триодного тиристора (рис. 1.12, б, в) основные электроды А и К соприкасаются одновременно с n- и p-областями. Электрод У, также соединенный с п- и р-областями, управляет током любого направления посредством напряжения соответствующей полярности. Это свойство симисторов используется для регулирования тока в мощных установках переменного напряжения, например, в электромоторах.
Управление тиристором, т.е. его включение, может осуществляться путем освещения п-р-п-р-структуры светом. В этом случае прибор называется фототиристором. При освещении светом светодиода полупроводниковой структуры, прозрачной в инфракрасном диапазоне, в ней образуются электронно-дырочные пары, способствующие возникновению тока и включению тиристора.