Тиристоры

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».

Структура диодного тиристора (динистора) п – р – п – р показана на рис. 68а. Как видно, он имеет три п – р -перехода, причем два из них (П₁и П₃)работают в прямом направлении, а средний переход П₂– в обратном направлении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область п – катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (модели), состоящей из двух транзисторов Т₁и Т₂ типа п – р – п и р – п – р,соединенных так, как показано на рис. 68б. Получается, что переходы П₁и П₃ являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П₂ работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы Б₁транзистора Т₁ одновременно является коллекторной областью К₂транзистора Т₂,а область базы Б₂транзистора Т₂ одновременно служит коллекторной областью К₁ транзистора Т₁. Соответственно этому коллекторный ток первого транзистора i_к1 является током базы второго транзистора i_б2, аток коллектора второго транзистора i_к2 представляет собой ток базы i_б1 первого транзистора. Эксперимент со схемой из двух транзисторов подтвердил, что по своим свойствам эта схема совпадает с диодным тиристором.

Рис. 68. Структура диодного тиристора (а) и его эквивалентная схема в виде двух транзисторов (б)

Как правило, тиристоры делают из кремния, причем эмиттерные переходы могут быть сплавными, а коллекторный переход изготавливают методом диффузии. Применяется также планарная технология. Концентрация примеси в базовых (средних) областях значительно меньше, нежели в эмиттерных (крайних) областях.

Физические процессы в тиристоре можно представить себе следующим образом. Если бы был только один переход П₂, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный перемещением через переход неосновных носителей, которых мало. Но, как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, являющийся тем не менее обратным током коллекторного перехода, если в базу транзистора со стороны эмиттерного перехода инжектируются в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу, тем больше становится ток коллектора. Напряжение на коллекторном переходе, наоборот, становится меньше, так как при большем токе уменьшается сопротивление коллекторного перехода и возрастает падение напряжения на нагрузке, включенной в цепь коллектора. Так, например, в схемах переключения транзистор переводится в открытое состояние (в режим насыщения) путем подачи на его эмиттерный переход соответствующего прямого напряжения. При этом ток коллектора достигает максимального значения, а напряжение между коллектором и базой снижается до десятых долей вольта.

Нечто подобное получается и в тиристоре. Через переходы П₁и П₃, работающие в прямом направлении, в области, примыкающие к переходу П₂, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂.

Рис. 69. Вольтамперная Рис. 70. Вольтамперные характеристики

характеристика диодного тиристора триодного тиристора для разных

управляющих токов

Вольтамперная характеристика тиристора, представленная на рис. 69, показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку 0А характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым («запертым»). На сопротивление коллекторного перехода П₂влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носите­ли уходят в разные стороны от границы, т. е. переход П₂ все больше обедняется основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П₁и П₃ усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу П₂, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопротивление растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс.

Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни вольт), называемом напряжением включения U_вкл, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П₂ начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом.

Ток резко, скачком, возрастает (участок АБ на характеристике), так как увеличение напряжения на П₁и П₃ уменьшает сопротивление П₂и напряжение на нем, за счет чего еще больше возрастают напряжения на П₁и П₃, а это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П₂и т. д. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора: большой ток при малом напряжении (участок БВ). Ток в этом режиме, когда прибор открыт («отперт»), определяется главным образом сопротивлением нагрузки R_н,включенной последовательно с прибором. За счет возникшего большого тока почти все напряжение источника питания падает на нагрузке R_н.

В открытом состоянии вследствие накопления больших зарядов около перехода П₂напряжение на нем прямое, что, как известно, характерно для коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четырех также небольших падений напряжений в п- и р-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт, и, следовательно, тиристор в этом состоянии имеет малое сопротивление.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно весьма просто объяснить математически. Из рассмотре­ния эквивалентной схемы на рис. 68 видно, что ток тиристора i является током первого эмиттера i_э1 или током второго эмиттера i_э2. Иначе ток i можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов i_к1 и i_к2, равных соответственно i_э1 и i_э2, где и – коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов Т₁ и Т₂.Кроме того, в состав тока i входит еще начальный ток коллекторного перехода i_к0. Таким образом, можно написать i = i_э1+ i_э2+ i_к0, или (учитывая, что i_э1 = i_э2= i)

i_э1 = i + i + i_к0. (109)

Решая это уравнение относительно i, находим

. (110)

Проанализируем полученное выражение. При малых токах и значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с формулой (110) ток i получается сравнительно небольшим. С увеличением тока значения и растут, и это приводит к возрастанию тока i. При некотором токе, являющемся током включения I_вкл, сумма + становится равной единице и ток i возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки. Именно такое стремление тока i неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, т. е. на отпирание тиристора.

Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока I_max(точка В на рис. 69), при котором на приборе будет небольшое напряжение U_откр.Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током I_уд (точка Б),ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики ОА. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов, поскольку переходы П₁ и П₂будут под обратным напряжением.

Характерными параметрами диодных тиристоров являются также время включения t_вкл, время выключения t_выкл, общая емкость С_общ, максимальные значения импульсного прямого тока I_импmaxи обратного напряжения U_{обр max}.Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выключения, связанное с рекомбинацией носи­телей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах.

Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором,или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение U_вкл. Чем больше ток через такой управляющий переход I_у, тем ниже U_вкл.

Эти основные свойства триодного тиристора наглядно отражаются его вольтамперными характеристиками, приведенными на рис. 71 для различных токов управляющего электрода I_у.Чем больше этот ток, тем сильнее инжекция носителей от соответствующего эмиттера к среднему коллекторному переходу и тем меньшее требуется напряжение на тиристоре, для того чтобы начался процесс отпирания прибора. Наиболее высокое U_вкл получается при отсутствии тока управляющего электрода, когда триодный тиристор превращается в диодный. И, наоборот, при значительном токе I_у характеристика триодного тиристора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.

Рис. 71. Простейшая схема включения Рис. 72. Вольтамперная характеристика

триодного тиристора с выводом от p-области симметричного тиристора

Простейшая схема включения триодного тиристора показана на рис. 68. На этой схеме дано условное графическое обозначение тиристора с выводом от р-области. Подобный тиристор называют тиристором с управлением по катоду,так как управляющим электродом является базовая область р, ближайшая к катодной области п. При подаче импульса прямого напряжения через вывод управляющего электрода на эмиттерный переход триодный тиристор отпирается, если, конечно, напряжения источника Е достаточно.

Параметры у триодных тиристоров такие же, как у диодных. Добавляются лишь величины, характеризующие управляющую цепь.

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, и для запирания необходимо уменьшить ток в тиристоре до значения ниже I_уд. Однако разработаны и применяются так называемые запираемые триодные тиристоры,которые запираются при подаче через управляющий электрод короткого импульса обратного напряжения на эмиттерный переход. Разработаны также симметричные тиристоры, или симисторы, имеющие структуру п – р – п – р – п или

р – п – р – п – р, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления (рис. 72).

Рис. 73. Структура симметричного Рис. 74. Замена симметричного тиристора тиристора двумя диодными тиристорами

На рис. 73 изображена структура симметричного тиристора. Из этого рисунка видно, что при полярности напряжения, показанной знаками «+» и «–» без скобок, работает левая поло­вина прибора (направление движения электронов обозначено стрелками). При обратной полярности, показанной знака­ми в скобках, ток идет в обратном направлении через правую половину прибора. Роль симметричного тиристора могут выполнить два диодных тиристора, включенные параллельно (рис. 74). Управляемые симметричные тиристоры имеют выводы от соответствующих базовых областей.

Условные графические обозначения различных тиристоров приведены на рис. 75.

Триодные тиристоры нашли широкое применение в различных схемах радиоэлектроники, автоматики, промышленной электроники. Пример использования триодного (или диодного) тиристора в простейшей схеме генератора импульсного пилообразного напряжения представлен на рис. 76. От источника E через резистор R сравнительно медленно заряжается конденсатор С. Пока напряжение и_C на конденсаторе невелико, триодный тиристор находится в запертом состоянии. Но когда и_C станет равно напряжению включения U_вкл, тиристор отпирается и конденсатор быстро разряжается через него, так как в открытом состоянии тиристор имеет малое сопротивление. В конце разряда конденсатора ток через тиристор снижается до значения удерживающего тока и тиристор запирается.

Рис.75. Условные графические обозначения тиристоров: а – диодный тиристор; б и в – незапираемые триодные тиристоры с выводом от p- и n-области; г и д – запираемые триодные тиристоры с выводом от p- и n-области; е – симметричный тиристор

Затем снова повторяется заряд конденсатора, потом его разряд через тиристор и т. д. График напряжения, получаемого на конденсаторе, показан на рис. 76. Ограничительный резистор R_огрвключен для того, чтобы ток в тиристоре не превысил максимального значения. Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд и тем ниже частота получаемого напряжения. Его амплитуда опре­деляется значением U_вкли может регулироваться изменением напряжения управляющего электрода U_у.Обычно в цепь управления включают резистор для ограничения тока.

Рис. 76. Генератор пилообразного напряжения с тиристором

В рассмотренном генераторе форма пилообразного напряжения для многих случаев неудовлетворительна, так как нарастание напряжения происходит по экспоненте. Чтобы получить линейное нарастание напряжения, надо сделать ток заряда конденсатора постоянным. Для этого вместо резистора R можно включить транзистор по схеме с общей базой, а тогда, как известно, при изменении напряжения u_к-бток коллектора почти не изменяется.

Представляет интерес применение триодных тиристоров в генераторах синусоидальных колебаний. В таких генераторах тиристор работает как ключ и подключает с нужной частотой источник питания к колебательному контуру. Поэтому колебания в этом контуре становятся незатухающими, а сам тиристор управляется напряжением от колебательного контура. Тиристорные генераторы обладают высоким КПД, так как в самом тиристоре потери незначительны. Но вследствие инерционности процессов включения и особенно выключения тиристора подобные генераторы могут работать только на сравнительно низких частотах. Поскольку тиристоры выпускаются на большие токи, то тиристорные генераторы можно построить на значительно большие мощности, нежели генераторы с транзисторами.

Помимо рассмотренных, существуют еще диодные и триодные тиристоры, проводящие в обратном направлении. Структура их такова, что с электродами тиристора имеют контакт не только крайние эмиттерные области, но и средние базовые. Поэтому при подаче обратного напряжения между электродами действует только одно прямое напряжение среднего перехода, т. е. тиристор будет в открытом состоянии.