Лк15 (Лекции в ворде)

16 Тиристоры

Структуры с тремя pn-переходами дали жизнь классу многослойных переключателей – тиристоров. Термин “тиристор” происходит от сочетания греч. thyra – дверь и англ. resistor – сопротивление.

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более pn-перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот, их основное назначение в силовой электронике – управление мощностью в нагрузке.

Функционально тиристоры являются электронными ключевыми элементами, сопротивление которых при определенном пороговом напряжении на них изменяется с высокого (выключенное состояние) на низкое (включенное состояние).

Структура тиристора показана на рис. 16.1,а. Тиристор представляет собой четырехслойный прибор, содержащий три последовательно соединенных pn-перехода (П₁, П₂ и П₃), внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области – базами (Б₁, Б₂). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ – коллекторный. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П₁, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П₂. Крайнюю p-область называют анодной или р-эмиттером, а вывод от нее – анодом (А), крайнюю n-область называют катодной или n-эмиттером, а ее вывод – катодом (К). У тринисторов к одной из базовых областей сделан управляющий вывод (УЭ).

Напряжение питания (анодное напряжение) подводится к крайним p- и n-областям pnpn-структуры тиристора. Управляющий сигнал может подводиться к любой базовой области. В нормальном режиме динистора к катоду тиристора прикладывается отрицательное (или нулевое) напряжение, к аноду положительное.

16.1 Вольт-амперная характеристика тиристора

При двухэлектродном включении тиристора ток управления равен нулю (I_У=0) и поэтому ток анода равен току катода I_A=I_K=I. Вольтамперные характеристики тиристоров относятся к S-образным характеристикам приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ тиристора имеет несколько различных участков (рис. 16.2).

Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора. Положительным считается направление тока, втекающего в анодную область р-типа электропроводности, к которой подсоединен положительный полюс источника питания. 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 П₃, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении (рис. 16.3).

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П₁ и П₃ будут смещены в обратном направлении, а П₂ – в прямом. Мы получим первый участок ВАХ тиристора, который аналогичен обратной ветви ВАХ pn-перехода. Через тиристор протекает обратный ток I_обр, указываемый как параметр для максимального обратного напряжения U_{обр max}.

На участке 1-2 дифференциальное сопротивление положительное и имеет большое значение. С ростом тока дифференциальное сопротивление постепенно уменьшается и в точке (2) становится равным нулю. Участок 2-3 соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению. Участок 3-4 характеризуется малым положительным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим характерные точки ВАХ тиристора. Точку, для которой напряжение на прямой ветви ВАХ тиристора максимально, называют точкой включения. Напряжение на аноде, соответствующее этой точке, называют напряжением включения U_в, а ток – током включения I_в.

В точке переключения дифференциальное сопротивление обращается в нуль, а напряжение на структуре достигает максимального значения, равного напряжению включения U_в.

Напряжение включения – это анодное напряжение в прямом направлении, при котором в двухэлектродном (динисторном) включении тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Напряжение включения обычно имеет небольшой запас относительно напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода.

Ток включения I_в – это такое значение анодного тока тиристора при прямом направлении, при превышении которого тиристор в двухэлектродном включении переключается в открытое состояние.

Если уменьшать ток через тиристор, то по достижении некоторого минимального тока, который необходим для поддержания его в открытом состоянии, называемого током выключения I_выкл или I_у (удерживающим), происходит переключение в закрытое состояние.

Рассмотрим механизм переключения тиристора.

При положительном анодном напряжении эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Через эмиттерные переходы в базовые области инжектируются неосновные носители заряда. Посредством диффузии или дрейфа они перемещаются к коллекторному переходу. Часть носителей на этом пути рекомбинирует, а оставшиеся – достигают коллекторного перехода. Генерируемые в области ОПЗ коллекторного перехода электроны и дырки разделяются полем этого перехода и поступают соответственно в n- и p-базы. Для инжектированных эмиттерами носителей заряда в коллекторном переходе нет потенциального барьера, и они переходят в базовые области: дырки в p-базу, а электроны в n-базу (рис. 16.4).

Задерживаемые потенциальными барьерами эмиттерных переходов, дырки и электроны образуют избыточные положительные и отрицательные заряды в соответствующих базах, что аналогично приложению прямого напряжения к эмиттерным переходам. Потенциальные барьеры эмиттеров понижаются, что вызывает увеличение инжекции дырок из p-эмиттера в n-базу и электронов из n-эмиттера в p-базу, при этом заряд инжектированных носителей нейтрализует накопленный в базе заряд.

При увеличении напряжения коллекторного перехода (подходя к точке 2) в области ОПЗ коллектора начинается лавинное умножение неосновных носителей, что приводит к росту потоков электронов и дырок и их накопление в соответствующих базах.

Процесс накопления - нейтрализация носителей в базах будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предельно возможный в данной цепи ток, обусловленный внешней нагрузкой. При этом тиристор переходит во включенное состояние (отрезок 3-4 на рис. 16.2), в котором он обладает минимальным сопротивлением (рис. 16.5).

Чем определяется значение пороговых токов и напряжений? Как транзистор мы представляли двумя диодами, так эквивалентная схема тиристора может быть представлена с помощью двух транзисторов (рис. 16.6), таким образом, тиристор можно рассматривать как соединение рnр-транзистора с nрn-транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого.

Открытому состоянию тиристора соответствует режим насыщения как pnp-транзистор, так и npn-транзистора.

Для электронного и дырочного токов коллекторного перехода можно записать: I_кp=α_p∙I_эp=α_p∙I_А, I_кn=α_n∙I_эn=α_n∙I_К, где I_кp, I_эp, I_кn – соответственно управляемые дырочные и электронные токи эмиттера и коллектора, α_p и α_n – коэффициенты передачи токов транзистора pnp и npn соответственно.

Общий ток тиристора I=I_А=I_К, будет включать как управляемые токи, так и тепловой ток коллекторного перехода I_к0:

Откуда:

Ток анода, при котором выполняется условие =1 является током включения I_в, так как при этом токе имеет место максимум кривой U(I).

Необходимым условием формирования S-образной ВАХ тиристора с участком отрицательного дифференциального сопротивления является зависимость суммы коэффициентов передачи тока α_s=α_p+α_n от тока через структуру.

Из формулы (16.2) следует, что если

то ток тиристора стремится к бесконечности. Таким образом (16.3) и будет условием включения тиристора. На рис. 16.7 показаны зависимости коэффициентов α_p, α_n и α_S=(α_n + α_p) от тока через тиристор.

Поскольку ток определяется напряжением на тиристоре, аналогичная зависимость будет, если использовать в качестве аргумента напряжение. При этом моменту включения тиристора будут соответствовать значения некоторого порогового тока и напряжения: I_в, U_в. Изменяя характер зависимости α_p(I) или α_n(I) возможно изменять значения тока и напряжения, при которых происходит переход тиристора в состояние с малым сопротивлением.

При увеличении тока эмиттера могут возрастать как коэффициент переноса æ, так и коэффициент инжекции γ. Увеличение коэффициента переноса может происходить вследствие появления ускоряющего электрического поля, уменьшения рекомбинационных потерь неосновных носителей заряда в базе и возрастания времени жизни носителей с ростом уровня инжекции.