ТИРИСТОРЫ Докладчики: Цеков А.В. Панюков Ю.А.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, состоящий из четырех последовательно чередующихся областей с различным типом проводимости, обладающий бистабильной характеристикой. Имеет два состояния. В первом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и малый ток ( закрытое состояние ), в другом – низкое сопротивление и большой ток ( открытое состояние ). Тиристоры способны управляемо переключаться из одного состояния в другое.

Структура тиристора Тиристор представляет собой четырехслойный р 1-n1- р 2-n2 прибор, содержащий три последовательно соединенных р -n перехода П 1, П 2 и П 3. Обе внешние области называют эмиттерами ( Э 1, Э 2), а внутренние области – базами ( Б 1, Б 2) тиристора. Переходы П 1 и П 2 называются эмиттерными, переход П 3 – коллекторным.

Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз ( Б 1, Б 2) тиристора. Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором, или динистором. Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. В данном случае в качестве исходного материала выбрана подложка n- типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р 1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления ( или диффузии ) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид

Вольт - амперная характеристика. VG – напряжение между анодом и катодом ; I у, V у – минимальный удерживающий ток и напряжение ; I в, V в – ток и напряжение включения. Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П 3, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П 1 и П 2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения U вкл или тока J, называемого током включения J вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию ( низкое сопротивление ). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, ненаблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Тиристор можно рассматривать как соединение р -n- р транзистора с n- р -n транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П 1, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П 2. Двухтранзисторная модель диодного тиристора.

В стационарном случае токи через все переходы (П1, П2 и П3) равны, тогда откуда где α = α1 + α2 – суммарный коэффициент передачи тока первого (p1-n1-p2) и второго (n2-p2-n1) транзисторов. Выражение (1) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения VG. По мере роста α и М с ростом VG, когда значение М(α1 + α2) станет равно 1, из уравнения (1) следует, что ток I устремится к. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто». Напряжение переключения составляет у тиристоров Uперекл от В до В, а ток переключения Iперекл – от долей микроампера до единиц миллиампера (зависит от площади). Таким образом, в состоянии «закрыто» тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии «открыто» – большими значениями коэффициентов α и М. В закрытом состоянии (α – малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П3 и ток тиристора – это ток обратно смещенного p-n перехода. Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении, а П2 – в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратно смещенных p-n переходов.

В открытом состоянии ( α – велики ) все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n1, p2 тиристора. Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α 2 электроны, инжектированные из n2- эмиттера в р 2- базу, диффундируют к р -n переходу коллектора П 3, проходят его и попадают в n1- базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П 1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n1- базы, образуют отрицательный избыточный заряд. Инжектированные дырки из эмиттера р 1 в базу n1 диффундируют к р-n переходу коллектора П 3, проходят через него и попадают в базу р 2. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П 2. Следовательно, в базе р 2 происходит накопление избыточного положительного заряда. В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р 2 и отрицательного заряда в базе n1 переход П 3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода прямой ток такого перехода в области малых прямых смещений – рекомбинационный J рек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока JpD. По мере роста прямого напряжения на p-n переходе диффузионная компонента тока JpD начинает превалировать над рекомбинационной. В терминах эффективности эмиттера γ, это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера, а следовательно и увеличению коэффициента передачи α = γ κ типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n перехода.

Другой физический механизм, приводящий к накоплению объемных зарядов в базах тиристора связан с лавинным умножением в коллекторном переходе. При больших значениях обратного напряжения на p-n переходе величина электрического поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка набирает энергию q λ E, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника q λ E > Е g и вызывает генерацию новой электронно - дырочной пары. Это явление аналогично лавинному пробою в стабилитронах. Если М – коэффициент ударной ионизации, определяемый как количество носителей, рожденных при лавинном умножении одной частицей, то М описывается эмпирической формулой где U М – напряжение лавинного пробоя, а значение коэффициента n для Ge, Si равно 3. Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту коэффициента передачи и величине коллекторного тока.

Переход тиристора в открытое состояние, происходит за счёт накопление избыточного отрицательного заряда в базе n1 и положительного в базе р 2. Это т процесс осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П 1 и П 3 при увеличении напряжения на тиристоре до U перекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б 1 и Б 2 можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом. На него подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении. Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению U перекл.

Конструкция и устройство тиристора позволяют включить два тиристора со структурами p-n-p-n и n-p-n-p параллельно друг другу. В этом случае ВАХ таким образом включенных тиристоров будет симметрична относительно оси напряжений и токов. Такой прибор имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и реализующий два бистабильных состояния «закрыто» и «открыто» и называется симистором. Симисторы. Симистор состоит из пяти последовательно чередующихся p- и n- областей. Прибор без управляющего электрода диак, с электродом триак. Используются как ключевые элементы в цепях переменного напряжения.

При положительном потенциале на электроде Э1 тиристорный эффект реализуется в левой части триака p1-n1-p2-n2. При отрицательном p2-n1-p1-n4. Переходы П3 и П5 эмиттерные, П1 и П2 - поочерёдно коллекторные переходы (в зависимости от полярности напряжения на эмиттерах) n2 p2 n3 n1 p1 n4 Б П1 П2 П3П4 П5 Э1 Э2