Вопрос 5 – Тиристор. Принцип действия, характеристики.

Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n -переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рис. 6.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р ₁ -n ₁ -р ₂ -n ₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n -перехода (П₁, П₂ и П₃). Обе внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области – базами (Б₁, Б₂) тиристора (см. рис. 6.1, а). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ – коллекторный переход.

Рис. 6.1. Схема диодного тиристора:

а - структура диодного тиристора; б - зонная диаграмма

Тиристоры с двумя электродами называются диодными тиристорами или динисторами; с тремя электродами – триодными тиристорами или тринисторами, а чаще всего просто тиристорами.

Простейшие динисторы, запираемые в обратном направление, обычно изготавливают из кремния и содержат четыре чередующихся p- и n- области. Область р ₁, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область n ₂ – катодом; области n ₁ и р ₂ – базами. Если на динистор подать напряжение V _G = U плюсом на область р ₁ (то есть на анод), минусом на область n ₂ (то есть на катод), то переходы П₁ и П₂, называемые эмиттерными, окажутся открытыми, а переход П₃ (коллекторный) – закрытым. Практически все напряжение будет приложено к закрытому переходу П₃. И ток в цепи будет равен обратному току коллекторного перехода П₃, то есть будет иметь небольшое значение как и для любого кремниевого диода в запорном направлении. При достаточно большом напряжении (U = U_пер) в переходе П₃ возникает сильное электрическое поле, под действием которого начинается ударная ионизация, вызывающая лавинообразный рост тока и пробой перехода П₃. Сопротивление пробитого перехода П₃ становится очень малым, поэтому напряжение на переходе П₃ скачком снижается до значения U» U_отк = (0,5 – 1,5) В, и ток в цепи динистора теперь определяется практически величиной сопротивления нагрузки и допустимой рассеиваемой мощностью динистора, т.е. динистор переходит в открытое состояние. Ток резко растет с увеличением напряжения U и может достигать очень больших значений.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодного тиристора, приведенная на рис. 6.2, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению U, подаваемому на первый p ₁-эмиттер тиристора. Участок характеристики между точками 0 и А соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения U падает на коллекторном переходе П₃, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n -перехода.

Рис. 6.2. Вольт-амперная характеристика динистора

При достижении напряжения U, называемого напряжением включения или переключения U _пер, или тока I, называемого током включения или переключения I _пер, ВАХ тиристора переходит на участок между точками В и С, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками А и В находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора. Ток, соответствующий точке В, называют током удержания I _уд. Точка А соответствует прямому включению динистора, а величина U _пер называется напряжением переключения.

Таким образом, динистор имеет две устойчивые области: область ОА с координатами от U = 0 и I = 0 до I < I _пер и U < U_пер и область ВС: от I > I _уд и U > U _откр. Область, лежащая между точками А и В, является неустойчивой.

Прекратить ток через динистор можно либо снятием напряжения U, либо уменьшением тока I до значения I < I_уд. В последнем случае динистор скачком переходит в режим работы, соответствующий участку ОА, т.е. в режим закрытого состояния. При изменении полярности приложенного напряжения переходы П₁ и П₂ будут закрытыми и через динистор будет течь ток малой величины – ток насыщения I _нас (микроамперы). Величина напряжения переключения зависит только от параметров областей p ₁, n ₁, p ₂, n ₂ и температуры окружающей среды (с ростом температуры U _пер уменьшается).