Краткие теоретические сведения. Тиристоры - полупроводниковые приборы, имеющие три и более последовательно образованных р - n - перехода

Принцип действия.

Тиристоры - полупроводниковые приборы, имеющие три и более последовательно образованных р - n - перехода. Тиристоры подразделяются на диодные и триодные. Первые имеют два вывода (электрода), а вторые - три. В настоящее время любой полупроводниковый прибор, имеющий структуру р - п -р - п - типа, называют тиристором. Диодные тиристоры называют также динисторами, или переключающими четырехслойными неуправляемыми диодами, а триодные - тринисторами, или переключающими четырехслойными управляемыми диодами.

Таким образом, тиристоры принадлежат к классу полупроводниковых приборов с многослойной структурой, обладающих двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Структура тиристора р - п - р - п показана на рис.7.1.

Тиристоры имеют три вывода: анод А и катод К из крайних областей и управляющий электрод УЭ. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 7.2) состоящей из двух транзисторов р - п - р и п - р - п с объединенными базовыми и коллекторными областями. В соответствии с этим средние слои тиристора называют базовыми областями, или базами прибора, а крайние - эмиттерами. Переход П2 служит коллекторным переходом как для левой части прибора, так и для правой и называется коллекторным переходом. Крайние П1 и ПЗ переходы по аналогии с транзисторным аналогом называются эмиттерными переходами.

Рис. 7.1

Р-тиристор со структурой p-n-p-n -типа

Рис. 7.2

Транзисторный аналог триодного тиристора

Переключение тирис­тора из одного состояния в другое обусловлено дей­ствием внешних факторов, вызывающих смещение пере­ходов П1 и П3 в прямом направлении и приводящих к увеличению коэффициента передачи дырочного и электронного токов, протекающих через этипереходы, а также коэффициента лавинного умножения. К таким факторам относятся напряжение на аноде Uпр токуправления Iу температура и др.

Когда к тиристору (при Uy = 0) приложено напряжение Unp в прямом напряжении (рис.7.1), переходы П1 и ПЗ смещены в прямом направлении и открыты, но тиристор заперт переходом П2 (между слоями n1 - р2), который включен в непроводящем направлении. При этом практически все напряжение приложено к закрытому переходу П2.

Через вентиль при этом проходят два встречно направленных потока носителей зарядов. Электроны инжектируются из слоя п2 в слой р2 и далее проходят в слой n1, образуя электронный ток In. Дырки инжектируются из слоя pl в слой п2 и далее проходят в слой р2, образуя дырочный ток Ip. В базах носители зарядов этих токов частично рекомбинируют. Поэтому через переход П2 проходит лишь часть этих потоков, определяемая коэффициентом передачи тока баз п и р Кроме того, через коллекторный переход П2 протекают электронная и дырочная составляющие тока утечки Iут не основных носителей зарядов (обратного тока коллекторного перехода). Поэтому суммарный ток, проходящий через коллекторный переход П2:

Iк= α р * Iр + α n * In + Iут

Так как электронный и дырочный токи тиристора одинаковы (см.рис.7.2),

то есть Iр = In = Iк =I, то

В полученном выражении не учитывается эффект лавинного умножения носителей заряда, который характерен для р - п переходов с большой напряженностью электрического поля. Напряженность электрического поля в переходе П2, как правило, достаточно велика, так как рабочие напряжения, применяемые в цепях с четырехслойными приборами достаточно велики. Это обусловливает возникновение эффекта лавинного умножения носителей зарядов в коллекторном переходе и определяется коэффициентом лавинного умножения носителей М, который представляет собой отношение числа носителей, выходящих из перехода П2, к числу носителей, входящих в него. Пренебрегая разницей в значениях М для электронов и «дырок», получаем:

Как известно, в транзисторах при малых значениях тока Iэ и Iк коэффициент α существенно меньше единицы. Поэтому при малых значениях Unp проходящий через тиристор ток мал и определяется током утечки Iут. Величина этого тока очень мало растет с увеличением напряжения. Этот режим называется режи­мом прямого запертого состояния тиристора, ему соответствует участок ОА прямой ветви вольтамперной характерис­тики тиристора (Рис.7.3).

Рис. 7.3 Вольтамперная характеристика тиристора

В этом режиме концентрация основных носителей в базах с увеличением напряжения меняется очень мало. Поток «дырок» в n1 -базу из p1 -эмиттера примерно равен притоку «дырок» направо через коллекторный переход в р2- базу:

Избыточные «дырки» в p2 - базе уходят через правый эмиттерный переход П3 в п2 - эмиттери частично компенсируются встречным потоком электронов из первого эмиттера. Условиядвижения этих электронов справа налево подобны только что описанным для «дырок».

При дельнейшем увеличении приложенного к вентилю напряжения до значения Uвкл, которое называется напряжением включения, происходит процесс, аналогичный происходящему в транзисторах. При переходе из закрытого состояния в открытое в нем развивается регенеративный процесс, возникающий вследствие внутренней положительной обратной связи, имеющий место в приборе.

По мере увеличения внешнего напряжения Unp прямое смещение эмиттерных переходов П1 и ПЗ возрастает, что приводит к увеличению тока через переходы. Поскольку все р - п - переходы включены последовательно, то увеличивается и ток коллекторного перехода. Это в свою очередь приводит к увеличению коэффициента передачи тока α n и α p и, следовательно, дополнительно увеличивает ток через переход П2.

Кроме того, электроны, движущиеся из р2 - базы в n1- базу и «дырки», перемещающиеся в обратном направлении, под влиянием электрического поля в коллекторе приобретают энергию, достаточную для ударного разрушения валентных связей (ударная ионизация). В результате этого в области коллекторного перехода образуются новые пары подвижных носителей заряда. Вновь образовавшиеся электроны выбрасываются полем коллекторного перехода в nl - базу, а «дырки» - в р2 - базу. Концентрация основных носителей в обеих базах начинает увеличиваться. Вследствие компенсации неподвижных зарядов, образующих потенциальный барьер коллекторного р - п - перехода, происходит процесс его смещения в проводящее состояние и увеличение коэффициента лавинного умножения М.

Под действием внешнего электрического поля «дырки» в р2 - базе подходят к правовому эмиттерному переходу, нейтрализуют там отрицательный заряд неподвижных ионов так, что снижается потенциальный барьер. В результате поток электронов из п2 - эмиттера в р2 - базу увеличивается, что приводит к росту коэффициента передачи тока базы an и плотности потока электронов через коллекторный переход, а с ним и число вновь образуемых пар зарядов.

Подобный процесс наблюдается и в левом эмитерном переходе, потенциальный барьер которого снижается за счет увеличения электронов в n1 - базе.Регенеративный процесс в приборе возникает тогда, когда под действием внешних факторов коэффициент положительной обратной связи μ (α n + α р) достигает единицы. В результате все три перехода П1, П2, ПЗ оказываются смещенными в прямом направлении, напряжение на вентиле резко уменьшается до значения суммарного падения напряжения во всех переходах, и далее тиристор работает как полупроводниковый диод, находящийся в открытом состоянии.

Процессу открытия вентиля соответствует участок АБ (рис.7.3.) отрицательного сопротивления на вольт - амперной характеристике. Амплитудное значение приложенного к тиристору прямого напряжения, превышение которого влечет за собой открывание тиристора, называется напряжением включения Uвкл или напряжением переключения Unep (первый способ переключения тиристора в открытое состояние).

После открытия тиристора (участок БВ на рис.7.3.) ток ограничивается практически только внешним сопротивлением цепи. При этом вольтамперная характеристика имеет такой же характер, как и ВАХ полупроводникового диода. Тиристор будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока проходящий через него ток Iпр достаточен для инжекции электронов и «дырок» в слои р1 и р2. При снижении тока вентиля до некоторого значения, меньшего тока выключения Uвыкл, вентиль переходит в выключенное состояние, так как число инжектируемых носителей электричества оказывается недостаточным для поддержания перехода П2 в открытом состоянии.

Если на электрод УЭ подать положительный потенциал (для р - тиристора со структурой р-п-р-п - типа: рис 7.1.) от вспомогательного источника тока, то напряжение, приложенное к цепи управления, увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода ПЗ и, следовательно увеличивает ток из п2 – эмиттера через р2 - базу и переход П2. Рост тока сопровождается соответствующим увеличением коэффициента передачи α.