Тиристор.

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход». Структура диодного тиристора (динистора) показано на рис.1. Он имеет три n-p перехода причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний переход П2 - в обратном направлении. Крайнею область р называют анодом, а крайнею область n - катодом. П1 и П3 являются эмиттерным переходом, а П2 - коллекторным.

R_н. Как правило, тиристоры делают из кремния, причем эмиттерные переходы могут быть сплавными, а коллекторный переход изготовляют методом диффузии. Применяются 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. Чем больше прямое напряжение, приложенное к крайним П1 и П3 (эмиттерным) переходам, тем больше носителей зарядов инжектируются из эмиттерных переходов в средний П2 (коллекторный) переход. Эти носители для среднего перехода будут неосновными. При этом сопротивлении закрытого среднего перехода начнет уменьшаться.

Вольтамперная характеристика, представленная на рис.2, показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет мед-

ленно, что соответствует участку ОА. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на П2 увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, то есть переход П2 все больше объединяются основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных перехода П1 и П3 усиливают инжекцию носителей, которые подходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. Около точки А при некотором напряжении (десятки 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 уменьшатся. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора.

Этот процесс объясняется следующим образом. Ток резко, скачком, возрастает (участок АБ), т.к. увеличение напряжения на П1 и П3 уменьшает сопротивление П2 и напряжение на нем, за счет чего еще больше возрастают напряжения на П1 и П3, а это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П2 и т.д. В результате этого возникает большой ток при малом напряжении (участок БВ). За счет возникающего большого тока почти все напряжение источника питания падает на нагрузке R_н.

Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока I_max (точка В на рис. 2), при котором на приборе будет небольшое напряжение U_откр.. Если же уменьшать ток через прибор, тот при некотором значении тока, называемым удерживающим током (I_уд., точка Б), ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т.е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку ОА. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов, т.к. переходы П1 и П2 будут под обратным напряжением.

Характерными параметрами диодных тиристоров являются также время включения t_вкл., время выключения t_выкл., общая емкость с_общ., максимальные значения прямого импульсного тока I_{имп. max} и обратного напряжения U_{обр. max}. Время включение 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.

Напряжение U_вкл., при котором начинается лавинообразное нарастание тока (электрический пробой), может быть снижено введением неосновных носителей зарядов в любом из слоев, прилегающих к переходу П2. Эти добавочные носители зарядов усиливают ионизацию в переходе, в связи с чем напряжение включение U_вкл. уменьшается. От одной из областей среднего перехода П2 делается вывод – представляющий собой управляющий электрод. Таким образом, получаем триодный тиристор или тринистор.

Важным параметром триодного тиристора является ток управления I_у.вкл – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние (рис. 3).

При встречном параллельном включении двух одинаковых четырехслойных структур получают симметричные диодные и триодные тиристоры (рис. 4).

а) б) в)

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 2000А и напряжения включения U_вкл.» 4000В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммуникационный аппаратуре.

a) диодного тиристора,

b) триодного тиристора с управлением по катоду,

c) триодного тиристора с управлением по аноду.