Основные теоретические положения

 Тиристоры – полупроводниковые  приборы  на  основе  многослойной р– n –р– n -структуры, которые обладают бистабильными характеристиками и способны переключаться из одного состояния в другое.

Схематическое изображение структуры тиристора [4] и типичное распределение примеси вдоль оси тиристора приведены на рис. 8.1, а, б соответственно.

Здесь p₁, n₂ – области эмиттеров, n₁, р₂ – области баз тиристора и, соответственно, переходы р₁–n₁- и n₂–p₂ – эмиттерные переходы, а n₁–p₂ – коллекторный переход. В такой структуре ток будет определяться наибольшим сопротивлением обратносмещенного коллекторного перехода, а начальный участок ВАХ будет подобен ВАХ обратносмещенного р–n-перехода.

Рис. 8.1

Рис. 8.2

С ростом тока при некоторых значениях  и  произойдет включение тиристора (рис. 8.2, а). Из рис. 8.1, б следует, что уровни легирования р₁-эмиттера и n₂-эмиттера на несколько порядков выше, чем уровень легирования n₁- базы и р₂-базы. Поэтому во включенном состоянии, когда эмиттеры инжектируют в базы носители заряда, сопротивление коллекторного перехода становится малым (доли ома), структура будет подобна диоду p₁–n₂, а участок ВАХ, соответствующий включенному состоянию, подобен ВАХ прямой ветви p – n-перехода (рис. 8.2, а).

 Процесс включения тиристора определяет переходный участок ВАХ от точки, соответствующей U_вкл, до включенного участка. Рассмотрим процесс включения тиристора на модели двух транзисторов (рис. 8.3, б). Из рисунка следует: I_A = I_C1 + I_C2 .

Кроме того, для p₁–n₁–p₂-транзистора I_C1 = α₁I_A + I_C10 и для
n₂–p₂–n₁-транзистора I_C2 = α₂(I_A +I_У) + I_C20. 3десь α₁ и α₂ – коэффициенты передачи транзисторов в схеме с общей базой. Обозначив I_C0 = I_C10 + I_C20 – полный ток обратносмещенного коллекторного p₂–n₁-перехода, получим .

Рис. 8.3

Это выражение совместно с рис. 8.3, а объясняет процесс включения тиристора. Включение тиристора начинается при достижении уровня плотности тока, при котором выполняется условие . При этом приращение тока базы n₁ возрастает в  раз, где – коэффициент усиления по току транзистора n₂–p₂–n₁, включенного по схеме с общим эмиттером. Этот ток, в свою очередь, является током базы p₂ второго транзистора, который усилится этим транзистором в  раз. Такой регенеративный процесс продолжается до тех пор, пока не перестанет выполняться условие  из-за высокой плотности тока эмиттера
(рис. 8.3, а).

Таким образом, для включения тиристора необходимо обеспечить протекание тока, при котором выполняется условие . Это определяет возможные способы включения:

1. включение током управления, когда вводится ток через дополнительный электрод одной из баз тиристора (см. рис. 8.1, а, и рис. 8.3);

2. увеличение тока за счет лавинного умножения в коллекторном переходе;

3. увеличение тока за счет инжекции носителей при облучении базы тиристора светом (фототиристор) или пучком ускоренных электронов;

4. увеличение тока с ростом  за счет достижения областью пространственного заряда коллекторного перехода эмиттерного перехода (прокол базы, см. рис. 8.1, б);

5. увеличение тока при быстром увеличении  так, что   
где С – емкость коллекторного перехода;

6. увеличение тока при увеличении температуры тиристора.

Рис. 8.4

Для обеспечения заданных значений  и  используют метод управления величиной  – шунтирование эмиттерного перехода (рис. 8.3, б). При этом часть катодного контакта контактирует непосредственно с базой и часть  тока  базы  выводится  на  контакт,  минуя  эмиттер.  Как  видно  из рис. 8.3, а при шунтировании требуется достичь больших токов базы для обеспечения  условия  включения  α₁ + α₂ > 1.

При работе тиристора по схеме на рис. 8.1, а следует учитывать влияние R  –  нагрузочной  характеристики (рис. 8.4). В этом случае при включении тиристора рабочая точка будет перемещаться от точки включения A до точки B по нагрузочной прямой. Дальнейшее увеличение напряжения соответствует перемещению рабочей точки от В вверх по ВАХ тиристора. Уменьшение  приводит к ее перемещению в точку С и далее к точке D, соответствующей току удержания .

Процесс выключения тиристора. Для выключения тиристора необходимо выполнить два условия: обеспечить , и вывести избыточные носители из баз тиристора. Этого можно добиться следующими способами:

7. прерыванием тока тиристора, приводящего к рассасыванию носителей заряда из-за рекомбинации;

8. приложением анодного напряжения обратной полярности в течение некоторого времени, приводящего к рассасыванию избыточного заряда за счет рекомбинации и дрейфа в электрическом поле, что уменьшает время выключения;

9. отводом через управляющий электрод к базе тиристора такой части тока, которая обеспечивает выполнение условия  изменением полярности источника.

Основные параметры тиристоров. Система параметров состоит из параметров прибора и предельно допустимых параметров режима его эксплуатации. Основными параметрами являются  – напряжение переключения (прямое напряжение, при котором происходит переключение тиристора);  – максимальное обратное напряжение (соответствует началу области загиба обратной ветви ВАХ);  – прямое падение напряжения (напряжение на тиристоре в открытом состоянии после включения);  – пороговое напряжение (определяется линейной экстраполяцией ветви ВАХ в открытом состоянии до пересечения с осью напряжений);  – динамическое сопротивление (котангенс угла, определяемого по наклону прямой ветви ВАХ к оси напряжений);  – ток утечки (на прямой блокирующей ветви);  – ток удержания (наименьший ток в открытом состоянии, поддерживающий тиристор в открытом состоянии);  – отпирающий ток управления (наименьший ток управления, обеспечивающий включение);  – отпирающее напряжение управления (наименьшее напряжение управления, необходимое для протекания );  – время включения;  – время выключения (время от момента, когда прямой ток в открытом состоянии достиг нуля, до момента, когда к тиристору опять приложено все прямое анодное напряжение).