Полупроводниковые переключающие приборы

5.1. Диодный тиристор

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p–n переходами, имеющие вольт-амперную характеристику S-типа.

В зависимости от числа выводов тиристоры бывают диодные (динисторы), триодные (тринисторы) и тетродные.

В основу тиристора положен монокристалл с чередующими р- и n-областями (рис. 5.1). Крайние области p₁ и n₂ называются эмиттерами, а средние n₁ и p₂-базами. Крайние переходы П1, П3 называют эмиттерными, а средний переход П2 – коллекторным. Омический контакт к внешнему p-слою называется анодом, а к внешнему n-слою – катодом, а к базе – управляющим электродом.

Чтобы снять характеристику динистора, необходимо в качестве источника электрического питания использовать генератор тока. В зависимости от величины тока, протекаемого через тиристор между катодом и анодом, возникает соответствующая разность потенциалов.

Если к аноду приложить отрицательное напряжение относительно катода, то все переходы закрыты и через структуру протекает обратный ток (участок ОА рис. 5.1,б) – режим обратного запирания. А при дальнейшем увеличении обратного напряжения возможен электрический пробой (участок АЕ – режим обратного пробоя).

Пусть к аноду приложено небольшое положительное напряжение относительно катода (рис. 5.1,а). Переходы П1 и П3 включены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном, и поэтому почти все приложенное напряжение падает на нем. Участок ОВ вольт-амперной характеристики аналогичен обратной ветви характеристики диода и его называют режимом прямого запирания.

С увеличением анодного напряжения увеличивается прямое напряжение на эмиттерных переходах. Дырки, инжектированные из p₁-эмиттера в n₁-базу диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в p₂-базу, где и накапливаются. Дырки, остановленные потенциальным барьером П3, образуют в p₂-базе избыточный положительный заряд и одновременно понижают высоту потенциального барьера П3, что вызывает увеличение инжекции электронов из n₂-эмиттера в p₂-базу. Затем эти электроны диффундируют к коллекторному переходу и экстрагируют в n₁-базу, и накапливаются в ней. Дальнейшему движению электронов препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Эти электроны, кроме того, понижают потенциальный барьер перехода П1 и способствуют росту инжекции дырок из p₁-области. Таким образом в тиристоре существует положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению тока через тиристор. В результате накопления избыточного положительного заряда в p₂-базе и отрицательного в n₁-базе происходит компенсация объемного заряда коллекторного перехода, его сопротивление резко падает, и при некотором U_вкл (напряжении включения) происходит резкое возрастание тока, протекающего через тиристор, и одновременно уменьшается падение напряжения на всем тиристоре. Тиристор из закрытого состояния переходит в открытое, и этому соответствует участок В1 вольт-амперной характеристики (рис. 5.1,б) с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

После того, как тиристор включился, все три перехода смещены в прямом направлении, и этому соответствует участок ГД вольт-амперной характеристики. Тиристор работает в режиме прямой проводимости. Ток, протекающий через тиристорную структуру, ограничивается только нагрузочным резистором, включенным последовательно с тиристором.

Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях – закрытом (выключенном) и открытом (включенном). Закрытое состояние характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и малым протекающим током, т.е. тиристор обладает большим сопротивлением. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1…3 В), а протекающий через него ток велик, тиристор имеет малое сопротивление.

Тиристор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока избыточный заряд в базах смещает коллекторный переход в прямом направлении за счет тока, протекающего через структуру.

Структура тиристора может быть представлена в виде соединения двух транзисторов, разной электропроводимости (рис. 5.1,в), так что коллекторный ток транзистора p₁-n₁-p₂ является базовым током транзистора n₁-p₂-n₂, а коллекторный ток транзистора n₁-p₂-n₂ является базовым током транзистора p₁-n₁-p₂.

Таким образом, между базовыми и коллекторными токами транзисторов существует положительная обратная связь, которая обеспечивает переключение структуры при условии, что коэффициент положительной обратной связи больше единицы. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи

, (5.1)

где , – коэффициенты передачи постоянных токов эмиттеров транзисторов, , – обратные токи коллекторов транзисторов.

Так как I_к=I_к1=I_к2, то с учетом (5.1) получим

. (5.2)

С учетом коэффициента лавинного умножения M в коллекторном переходе получим

, (5.3)

(5.4)

В обычных условиях работы тиристора М = 1.

В соответствии с (5.4) переключение тиристора в открытое состояние происходит при возрастании суммарного коэффициента передачи до 1. В каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице даже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начальных величин коэффициента передачи одну из баз тиристора делают довольно толстой по сравнению с диффузионной длиной соответствующих неосновных носителей. На практике один из эмиттерных переходов шунтируется объемным сопротивлением базы (рис. 5.2).

Такое шунтирование обеспечивает малые значения , при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этом идет по шунтирующему сопротивлению базы, минуя эмиттерный переход ЭП2. При больших напряжениях уменьшается сопротивление ЭП2, и весь ток будет проходить через ЭП2, минуя шунтирующее сопротивление базы.

При таком конструктивном исполнении тиристор переходит в открытое состояние при постоянном напряжении включения, т.е. тиристор имеет жесткую характеристику переключения. При слабой зависимости и от напряжения и тока тиристора напряжение включения различно и тиристор имеет мягкую характеристику переключения. Обозначение динисторов в схеме показана на рис. 5.1,г.

Триодный тиристор

Триодные тиристоры (рис. 5.1,а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, называемый управляющим электродом. В зависимости от того, из какой области базы сделан вывод триодные тиристоры делятся на управляемые по катоду (рис. 5.1,д) и управляемые по аноду (рис. 5.1,е). Принцип их работы одинаков, отличие заключается лишь в полярности внешних напряжений, подаваемых на управляющий электрод.

У триодных тиристоров управляемых по катоду в управляющую цепь подают положительный управляющий сигнал, а для управляющих по аноду – отрицательный. При подаче на управляющий электрод напряжения необходимой полярности через эмиттерный переход увеличивается инжекция носителей, изменяется коэффициент передачи тока эмиттера одной из транзисторных структур, увеличивается суммарный коэффициент передачи тиристора, и уменьшается напряжение переключения.