Материал: Tverdotila_elektronika

5 Тиристори

5.1 Будова, принцип дії та режими роботи тиристора

5.1.1 Загальні відомості

Тиристором називають електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з трьома або більше – переходами, ВАХ якого має ділянку негативного диферен­ціального опору і який використовують для перемикання. Назва тиристор походить від двох слів: thyra (гр.) – двері та (re) sistor (англ.) – опір. Залежно від кількості зовнішніх виводів розрізняють двохелектродний прилад – диністор, трьохелектродний – триністор і чотирьохелектродний – біністор. У двох останніх, крім анода і катода, є ще вхідні електроди (відповідно один у триністора і два у біністора).

Система позначень тиристорів (крім силових) складається з 6 елементів.

Перший елемент – буква або цифра, що означає матеріал виготовлення.

Другий елемент – буква, що визначає різновид тиристора: Н – діодні тиристори (диністори), У – тріодні тиристори (триністори).

Третій елемент – цифра, що визначає призначення тиристора згідно з таблицею 5.1.

Четвертий, п’ятий і шостий елементи аналогічні до відповідних елементів у позначеннях діодів і транзисторів.

Таблиця 5.1

Умовні позначення тиристорів на схемах наведено на рис. 5.1. З точки зору застосування тиристор – це напівпровідниковий ключ, тобто прилад, основне призначення якого полягає в замиканні та розмиканні кола навантаження під дією зовнішніх сигналів.

Подібно до транзисторних ключів тиристор має два статичні стани – закритий, з високим внутрішнім опором, і відкритий, з малим опором. У кожному стані тиристор може перебувати як завгодно довго. Перехід від одного стану до іншого відбувається швидко (лавиноподібно) під дією короткочасного зовнішнього сигналу.

а) б) в) г)

Рисунок 5.1 – Умовні позначення тиристорів на електронних схемах: а) диністор; б) триністор з керуванням по катоду;

в) триністор з керуванням по аноду;

г) симетричний тиристор (симістор)

5.1.2 Диністорний режим

Структура диністора показана на рисунку 5.2 а.

а) б) в)

Рисунок 5.2 – Структура (а), транзисторна схема заміщення (б) та ВАХ тиристора у диністорному режимі (в)

На рисунку диністор увімкнено до кола разом із джере­лом напруги і навантаженням . Будемо вважати, що верхня p-область чотиришарової структури диністора з’єднана з електродом, що називається анодом, а нижня область з’єднана з катодом. Області тиристора називати­мемо (зверху донизу) p-емітер, n-база, p-база, n-емітер.

При прикладенні зовнішньої напруги мінусом до анода і плюсом до катода емітерні переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у зворотному напрямі, і через прилад протікає малий зворотний струм двох послідовно з’єднаних – переходів (ділянка I на ВАХ рис. 5.2 в).

Якщо змінити полярність джерела напруги, то переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у прямому напрямі, а середній, колекторний, перехід КП – у зворотному. Через емітерні переходи здійснюється інжекція дірок (через ЕП1) та електронів (через ЕП2) у відповідні бази. Майже вся зовнішня напруга спадає на великому опорі КП. Збільшення цієї напруги приводить до подальшого зменшення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2 і збільшення інжекції через переходи. Дірки, інжектуючи через ЕП1, дифундують через n-базу, екстрагуються прискорювальним полем КП до області p-бази і накопичуються там, тому що подальша їх дифузія затримується гальмівним полем ЕП2. Аналогічне відбувається і з електронами, які інжектують через ЕП2 до p-бази. Таким чином, у p-базі накопичується надлишковий позитивний заряд, а в базі – надлишковий негативний заряд.

Процеси у тиристорі свідчать про появу внутрішнього позитивного зворотного зв’язку. Механізм його дії полягає у такому. Збільшення інжекції дірок до n-бази через ЕП1 приводить до накопичення цих дірок у p-базі. Зростання позитивного заряду p-бази приводить до подальшого прямого зміщення ЕП2 і збільшення інжекції електронів через нього. Це явище, у свою чергу, сприяє зростанню негативного заряду n-бази і додатковому прямому зміщенню ЕП1. Внаслідок цього інжекція дірок з p-емітера через ЕП1 ще більше зростає і т.д.

При прямих напругах < тиристор ще закритий, бо його опір – це фактично опір КП у зворотному вмиканні. Деяке зростання струму анода при збільшенні анодної напруги на ділянці II пояснюється збільшенням інжекції через переходи ЕП1 та ЕП2 при збільшенні на них прямих напруг, а також зменшенням потенціального бар’єра КП внаслідок накопичення надлишкового заряду в базах.

При анодній напрузі = різниця потенціалів між p- та n- базою за рахунок попереднього накопичення зарядів дорівнює величині зовнішньої напруги на КП. На КП у цьому разі діє нульова результуюча напруга, і перехід відкривається. Відбуваються різке зменшення внутрішнього опору тиристора і зростання анодного струму, що супроводжується зменшенням прямої напруги на приладі. Це падіння напруги дорівнює сумі падінь напруг на трьох p-n  переходах, увімкнених у прямому напрямі (приблизно 0,7 В), падіння напруги на n - базі (0,12 В) і падінь напруг на емітерах (приблизно 0,2 – 0,3 В). Таким чином, сумарне падіння напруги на ввімкненому диністорі становить приблизно 1 В.

Отже, процес відкривання (ввімкнення) тиристора полягає в різкому зменшенні опору за рахунок прямого ввімкнення КП, збільшенні струму через прилад одночасно зі зменшенням спаду напруги. Це приводить до формування на ВАХ диністора ділянки з негативним диференціальним опором (ділянка III на рисунку 5.2 в). Після закінчення про­цесу ввімкнення приладу робоча точка на ВАХ переходить на ділянку IV (рис. 5.2 в). Щоб унаслідок багаторазового зростання струму не відбулося руйнування кристалічної структури диністора, до кола послідовно з приладом і джерелом живлення вмикають навантаження. І тоді струм у колі з відкритим тиристором дорівнює

.

Диністор у відкритому стані (ділянка IV на ВАХ) перебуває доки, доки струм, що протікає через нього, підтримує у базах надлишкові заряди, які, у свою чергу, забезпечують відкритий стан КП. Зниження струму до величин приведе до того, що процес рекомбінації у базах почне відбуватися швидше, ніж процес накопичення, і КП знову ввімкнеться у зворотному напрямі.

Диністор може бути поданим у вигляді системи двох біполярних транзисторів p-n-p  та n-p-n – типів (рис. 5.2 б). На ділянці II ВАХ диністора (рис. 5.2 в) обидва транзистори перебувають у активному режимі. Збільшення зовнішньої напруги приводить до зростання емітерного струму p-n-p – транзистора, збільшення його колекторного струму, тобто зменшення його внутрішнього опору. Внаслідок цього зростає позитивний потенціал бази n-p-n  транзистора, що також збільшує емітерний і колекторний струми останнього і, отже, зменшує внутрішній опір n-p-n – транзистора. Тому на базі p-n-p – транзистора зростає негативний потенціал, і транзистор ще більше відкривається. У двотранзисторній схемі рис. 5.2 б, яка є схемою заміщення реального тиристора, діє, таким чином, позитивний зворотний зв’язок. При деякій зовнішній напрузі (=) обидва транзистори переходять у режим насичення, і опір схеми значно знижується.

Позначивши коефіцієнт передачі струмів цих транзисторів через та , одержимо, що через КП у стані зворотного ввімкнення протікає струм

=++, (5.1)

де , , - струми , КП та відповідно.

Оскільки всі переходи тиристора з’єднані послідовно, то === . Тоді

=. (5.2)

Значення коефіцієнтів і , як бачимо, залежать від струмів емітера та (рис. 5.3).

Поки +<1, диністор перебуває у вимкненому стані (ділянка II на ВАХ ). При = сума + дорівнюватиме одиниці, і починається за фор­мулою (5.2) лавиноподібний процес збільшення струму .

Рисунок 5.3 – Залежності =, =

Лавинний, стрибкоподібний процес ввімкнення тирис­тора спричиняється дією позитивного зворотного зв’язку.

Величина напруги буде тим більша, чим меншими будуть початкові значення коефіцієнтів передач струмів емітера та . Для зменшення початкових значень цих коефіцієнтів ширину однієї з баз роблять значно більшою від дифузійної довжини носіїв заряду. Крім того, щоб забезпечити досить велике значення , один з емітерних переходів шунтується розподіленим опором бази (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 – Диністор із зашунтованим емітерним переходом

У цьому випадку зменшення коефіцієнта передачі струму забезпечується таким чином. При малих напругах на тиристорі майже весь струм протікає через шунтуючий опір бази, обминаючи правий – перехід. У відкритому стані диністора опір переходу 3 малий, і струм проходитиме через цей перехід, обминаючи шунтуючий опір бази. При цьому величина різко зростає. Наявність більш сильної залежності коефіцієнта передачі від струму анода приводить до підвищення стабільності параметрів ВАХ диністора.