Тиристоры Выполнили студенты гр Кемпи А. Пархоменко А.

Общие сведения Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами,вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения. Структура тиристора показана на рисунке. Тиристор представляет собой четырехслойный р 1 -n 1 -р 2 -n 2 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 – коллекторный переход. 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 (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

Приборная реализация При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+-n1-p2-n2+.

Закрытое состояние

Открытое состояние (α1+ α2)M>1 В открытом состоянии (α – велики) все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n 2, p 2 тиристора. Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α 2 электроны, инжектированные из n 2 -эмиттера в р 2 -базу, диффундируют к р-n переходу коллектора П 3, проходят его и попадают в n 1 -базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П 1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n 1 -базы, образует отрицательный избыточный заряд. Инжектированные дырки из эмиттера р 1 в базу n 1 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 n 1 коллекторный переход П 3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре. На рисунке 7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n 1 и р 2.

Обобщение особенностей открытого и закрытого состояний Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление; и большой ток, малое напряжение, малое сопротивление. Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет вид, когда на всех p-n переходах прямое смещение, на П 1 и П 2 за счет внешнего напряжения, и на П 3 за счет объемных зарядов в базах Б 1 и Б 2. Переход тиристора из закрытого в открытое состояние связан с накоплением объемного заряда в базах Б 1 и Б 2 из-за роста значения коэффициента передачи α эмиттерного тока и коэффициента умножения М с ростом тока J и напряжения V G В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей его прямому включению. Если же ток уменьшить до значения I у, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, р-n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р-n переходах, уменьшатся коэффициенты передачи α и тиристор перейдет в закрытое состояние. Таким образом, тиристор в области прямых смещений (прямое включение) является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током, и наоборот.

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в ОПЗ 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 J pD. По мере роста прямого напряжения на p-n переходе диффузионная компонента тока J pD начинает преобладать над рекомбинационной J рек. Это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера, а следовательно, и увеличению коэффициента передачи α = γ·χ. На рисунке 8 – типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n перехода. Для реализации тиристорного эффекта необходимо введение рекомбинационных центров в эмитторные переходы тиристора для обеспечения зависимости γ и α от Vg.

Зависимость коэффициента М от напряжения V G. Умножение в коллекторном переходе

Источники информации Учебные пособия: – 1. Твёрдотельная электроника/ В. А. Гуртов; ПетрГУ. – Петрозаводск, – 312 с. – 2. Физика полупроводниковых приборов/ Гаман В. И.; Томск, – 336 с. Сайт КФТТ: Автор анимации - Шульгин Т.В.