Тиристор ((ЭЛ) Подборка материалов)

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 рисунке 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р₁-n₁-р₂-n₂ 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. 7.1а). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ - коллекторный переход.

Рис. 7.1. Схема диодного тиристора:
а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

На рисунке 7.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б₁, Б₂) тиристора, как показано на рисунке 7.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров как правило являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рисунке 7.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рисунке 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

Рис. 7.2. Схема (а), приборная реализация (б) и характеристики (в) триодного тиристора [23]

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р₁ и р₂. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n₂. Структура полученного тиристора имеет вид p₁⁺-n₁-p₂-n₂⁺.

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (N_s) в эмиттерах и базах тиристора

Вольт-амперная характеристика тиристора

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V_G, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₂, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.

При достижении напряжения V_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока J, называемого током включения J_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 7.4. ВАХ тиристора:
V_G - напряжение между анодом и катодом; I_у, V_у - минимальный удерживающий ток и напряжение; I_в, V_в - ток и напряжение включения

Феноменологическое описание ВАХ динистора

Для объяснения ВАХ динистора используют двухтранзисторную модель. Из рисунка 7.5 следует, что тиристор можно рассматривать как соединение р-n-р транзистора с n-р-n транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П₁, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П₂.

Рис. 7.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

Взаимосвязь между токами эмиттера I_э, коллектора I_к и статическим коэффициентом усиления по току α₁ р₁-n₁-р₂ транзистора и α₂ n₂-р₁-n₁ транзистора следующая. Представляя динистор как два транзистора, запишем следующие соотношения.

Пусть I_П1 - ток через переход П₁. Тогда часть тока I_П1, дошедшая до коллекторного перехода П₃ I_{П1 → П3}, будет равна:

   (7.1)

Если I_П3 - ток через переход П₂, аналогично:

   (7.2)

Учтем еще один фактор - лавинное умножение в переходе П₃ через коэффициент лавинного умножения М. Тогда суммарный ток I_П3 через переход П₃ будет равен:

   (7.3)

где I_К0 - обратный ток перехода П₃ (генерационный и тепловой).

В стационарном случае токи через переходы П₁, П₂, и П₃ равны, тогда

   (7.4)

откуда

   (7.5)

где α = α₁ + α₂ - суммарный коэффициент передачи тока первого (p₁-n₁-p₂) и второго (n₂-p₂-n₁) транзисторов.

Выражение (7.5) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на "закрытом" участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения V_G. По мере роста α и М с ростом V_G, когда значение М(α₁ + α₂) станет равно 1, из уравнения (7.5) следует, что ток I устремится к ∞. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния "закрыто" в состояние "открыто".

Напряжение переключения U_перекл составляет у тиристоров от 20-50 В до 1000-2000 В, а ток переключения I_перекл - от долей микроампера до единиц миллиампера (в зависимости от площади).

Таким образом, в состоянии "закрыто" тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии "открыто" - большими значениями коэффициентов α и М.

В закрытом состоянии (α - малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П₃ и ток тиристора - это ток обратно смещенного p-n перехода. Энергетическая диаграмма тиристора в состоянии равновесия приведена ранее на рисунке 7.1, а в режиме прямого смещения ("+" на слое р₁) в закрытом состоянии представлена на рисунке 7.6.

Рис. 7.6. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии [5]

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П₁ и П₃ будут смещены в обратном направлении, а П₂ - в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных p-n переходов.

Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии

В открытом состоянии (α - велики) все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n₂, p₂ тиристора.

Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α₂ электроны, инжектированные из n₂-эмиттера в р₂-базу, диффундируют к р-n переходу коллектора П₃, проходят его и попадают в n₁-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₁. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n₁-базы, образует отрицательный избыточный заряд.

Инжектированные дырки из эмиттера р₁ в базу n₁ диффундируют к р-n переходу коллектора П₃, проходят через него и попадают в базу р₂. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₂. Следовательно, в базе р₂ происходит накопление избыточного положительного заряда.

В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р₂ и отрицательного заряда в базе n₁ переход П₃ смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

На рисунке 7.7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n₁ и р₂.

Величина падения напряжения в прямом участке ВАХ составляет прямое напряжение на трех прямо смещенных p-n переходах и имеет величину порядка 1-2 вольт.

Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет вид, приведенный на рисунке 7.7, когда на всех p-n переходах прямое смещение, на П₁ и П₂ за счет внешнего напряжения, и на П₃ за счет объемных зарядов в базах Б₁ и Б₂.

Рис. 7.7. Зонная диаграмма и токи тиристора в открытом состоянии (везде прямое смещение)

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление и большой ток, малое напряжение, малое сопротивление. Переход тиристора из "закрытого" в "открытое" состояние связан с накоплением объемного заряда в базах Б₁ и Б₂ из-за роста значения коэффициента передачи эмиттерного тока α и коэффициента умножения М.

То есть рост α, М с ростом тока J и напряжения V_G в тиристоре является причиной перехода тиристора из состояния "закрытого" в состояние "открытого".

В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток уменьшить до значения I_у, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, р-n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р-n переходах, уменьшатся коэффициенты передачи α и тиристор перейдет в закрытое состояние.

Таким образом, тиристор в области прямых смещений (прямое включение) является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током, и наоборот.

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

Как уже отмечалось ранее, зависимость коэффициента передачи эмиттерного тока α от напряжения, приложенного к тиристору, является причиной переключения тиристора. Рассмотрим, какие физические механизмы могут обеспечить такую зависимость. В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода прямой ток такого перехода в области малых прямых смещений - рекомбинационный J_рек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока J_pD. Напомним, что эти процессы подробно рассматривались в разделе 4.3.2.