Tiristorы

Тиристор – это полупроводниковый прибор, с тремя и более p-n-пере­ходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференци­альным сопротивлением (рис. 6.1).Тиристор представляет собой элек­тронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обла­дающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Основой большинства тиристоров служит четырехслойная структура типа p₁-n₁-p₂-n₂. Крайние области и переходы 1-й и 3-й структуры (рис. 6.2) на­зывают эммитерными, центральный переход 2 – коллекторным, а области n₁ и p₂ – базами.

Рис. 6.1 Рис. 6.2

Толщина областей тиристора различна, а концентрация примесей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от n-эмиттера именуют катодом, от p-эмиттера – анодом.

Действие диодного тиристора (динистора) обусловлено физическими процессами в p-n-переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного напряжения на анод (рис. 6.2) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 – в прямом. Проис­ходит инжекция носителей через открытые переходы – дырок из области p₁ в базу n₁, электронов – из n₂ в p₂. Одновременно через открытые пере­ходы инжектируются встречные потоки носителей – электронов из базы n₂ в p₁ и дырок из базы p₂ в область n₂. Однако концентрация основных но­сителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пре­небречь.

Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через пере­ход 2, включенный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собст­венный обратный ток, обусловленный неосновными носителями в базах n₁ и p₂. В результате ток коллекторного перехода 2:

ich₂ =α₁ich₁ + α₂ich₃ + ich₀₂ (6.1)

wo ich₁, ich₃ – токи соответственно первого и третьего переходов; α_1, ein₂ – коэффициенты передачи тока соответственно через n₁– и p₂-базы; ich₀₂ – собственный обратный ток перехода 2.

Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анодному току: ich_und = ich₁ = ich₂ = ich₃.
То­гда, используя формулу (6.1), получим

ich_und = I₀₂ / [1–(α₁+ α₂)]. (6.2)

Коэффициенты передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между p-n-переходами пропорцио­нально их сопротивлениям. Так как сопротивления открытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого пере­хода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При небольших напряжениях анода прямое смещение на переходах 1 и 3 невелико и токи I₁ и I₃ составляют несколько микроампер. При таких токах эмиттера коэф­фициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода неве­лико, сумма (α₁ + α₂) << 1 и анодный ток определяется собственным обрат­ным током коллекторного перехода I₀₂.

С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на переходах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области n₂, пере­ходят через переход 2 в базу n₁ и создают там неравновесный отрица­тельный заряд, снижающий ее потенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью p₁– в n₁-базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в p₂-базу, увеличивают ее положительный по­тенциал и соответственно инжекцию электронов из области n₂. Таким об­разом, в структуре динистора начинает действовать внутренняя положи­тельная обратная связь, развивается регенеративный процесс, который ведет к самопроизвольному увеличению анодного тока.

При анодном напряжении, равном U_{einschließlich}, процесс регенерации усилива­ется, сумма α₁ +α ₂ приближается к единице и ток динистора резко возрас­тает.

Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер перехода 2, компенсируются динамическими неравновесными за­рядами электронов и дырок в p₂– и n₁-базах. В результате этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, на­чинается перераспределение напряжения источника Е_und.

Тиристор переходит в неустойчивый режим 2, где он имеет отрица­тельное дифференциальное сопротивление, а затем скачком – в режим 3, cоответствующий устойчивому открытому состоянию динистора (см. рис. 6.1). В этом режиме падение напряжения на приборе определя­ется суммой падений напряжений на трех p-n-переходах, смещенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом режиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки I_ein≈E_und/R_N.

Перевод закрытого динистора в открытое состояние – обратимый про­цесс. При снижении тока динистора объемные заряды носителей в базах оказываются недостаточными для компенсации потенциального перехода 2, процесс развивается в обратной последовательности и динистор пере­ключается в закрытое состояние. Время выключения определяется про­цессами рассасывания и рекомбинации подвижных носителей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 6.3).

При подаче в цепь управляющего электрода тока ich_und ток через эмиттер­ный переход ЭП1 увеличивается, следовательно, условие перехода тири­стора из закрытого состояния в открытое (α₁ + α₂)≈1, будет достигаться при меньшем напряжении включения U_{einschließlich} (см. рис. 6.1). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода ich_und,можно изменять величину напря­жения включения U_{einschließlich}. Некоторые маломощные тиристоры можно и вы­ключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода.

В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характе­ристика симметрична (рис. 6.4, а).

Рис. 6.4

Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и назы­ваются симисторами (рис. 6.4, б).

Тиристоры находят широкое применение в устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения ко­рот­кими импульсами тока управляющего электрода. К недостаткам тири­сто­ров следует отнести значительно большие времена переключения.

Kontroll-Liste

1. Что такое тиристор?
2. Почему коллекторный переход тиристора оказывается смещенным в прямом направлении при переключении тиристора из закрытого со­стояния в открытое?
3. Какие физические явления влияют на коэффициенты передачи тока транзисторных структур, составляющих тиристор?
4. Почему для изготовления целесообразно использовать полупровод­ники с большой шириной запрещенной зоны?
5. Какова структура и принцип действия симметричных тиристоров?

Источник:В.А. Нахалов,Электронные твердотельные приборы